花青素的生物合成与环境调控研究进展

黄鸿曼，袁利兵，彭志红，任春梅,2

（1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.作物基因工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）

花青素（anthocyanins）是一类重要水溶性色素，属黄酮类化合物，广泛分布于植物的花朵、果实、根、茎和叶等营养器官的细胞质中，是构成花瓣和果实的主要色素之一。花青素在植物体内主要以糖苷类化合物存在，因此也称作花色苷或花色素苷。

花青素在植物体内起着重要作用，不仅可以使花朵和果实呈现鲜艳的颜色而具有观赏价值，也有利于吸引昆虫和食草动物协助传粉和种子传播，还有助于提高抗逆性；同时，在医学界也引起了广泛关注，已有研究显示花青素具有抗氧化、抗炎、调节血脂、抗肿瘤等一系列生理活性[1]，具有作为保健食品或辅助治疗药物开发利用的巨大潜力和价值。笔者介绍了花青素生物合成过程中的关键酶和基因以及主要的环境因子对花青素合成的调控，以便对花青素的合成和调控有更深入的了解。

1 花青素的生物合成

花青素的生物合成途径是类黄酮物质合成途径的一个分支，在多种植物中的合成过程已有深入研究；现已阐明，植物的花青素生物合成途径大体相同，都是以苯丙氨酸为直接前体，由一系列结构基因编码的合成酶催化合成[2]，其生物合成途径见图1。

图1 花青素生物合成途径

苯丙氨酸解氨酶（PAL）催化苯丙氨酸脱氨形成肉桂酸，是合成花青素也是合成其他多种化合物如类黄酮和木质素的起始酶。PAL由多基因家族编码，PAL基因的表达受自身发育和环境因素双重调控。

查耳酮合成酶（CHS）催化丙二酰CoA和4-香豆酰CoA反应生成查耳酮，为花青素和其他类黄酮提供基本骨架结构。CHS的表达对光敏感，紫外光和蓝光能够促进CHS表达，且有协同作用[3]。

查耳酮异构酶（CHI）催化反应的一个最重要的特点是将黄色的查耳酮转变成了无色的黄烷酮，植物体内几乎所有的类黄酮化合物都是从黄烷酮衍生而来的。CHI活性减弱或CHI基因表达降低会导致查耳酮及其衍生物不能被正常催化，类黄酮生物合成途径无法继续向下进行。

黄烷酮羟化酶（F3H）是位于类黄酮合成通路分支点处的关键酶，除催化黄烷酮外，还能催化圣草酚、柚皮素、羟基双氢黄酮的羟基化，生成二氢黄酮醇。二氢黄酮醇是类黄酮3＇-羟化酶(F3′H)和类黄酮 3′，5′-羟化酶（F3′5′H）的共同底物，这两种酶所催化的反应产物是合成花青素的直接前体[2]。

二氢黄酮醇还原酶（DFR）是催化多种黄烷酮醇转变成相应无色花青素，包括白矢车菊素和白翠雀素。

花青素合成酶（ANS）是一种双加氧酶，是位于花青素合成通路末端的关键酶，催化从无色花青素到有色花青素的转变。

类黄酮3，5-糖苷转移酶（UFGT）使不稳定的花青素转变为稳定的花青素。

相关酶在细胞质中组织成以膜为支架位于特定亚细胞位点的多酶复合体，有利于花青素生物合成的总体效率和调节[4]。花青素合成后会进一步修饰，如糖基化、甲基化等，修饰后的花青素通过分子叠加效应和交互作用，在不同的植物中有不同变化，呈现出各种颜色[5]。

2 环境因子对花青素合成的调控

2.1 光对花青素合成的调控

光对植物的生长发育起着重要的调节作用，也是影响花青素合成最重要的环境因子之一，大多数植物中花青素的合成需要有光的诱导。光质、光强等都会影响花青素的合成与积累，在不同物种中的影响也不同[6]。

在花青素的合成和积累过程中，不同的光质对花青素的调控作用效果不同。UV-B可以诱导花朵和叶片中花青素的合成；UV-A可以特异性诱导番茄幼苗和果实中PAL的表达和花青素的合成，但对其他植物的花青素合成影响较小[7]。蓝光和红光对在矮牵牛花青素结构基因的诱导表达效果相似，而绿光却会稍弱相关基因的表达量[8]。

研究发现，强光可以同时诱导结构基因和调节基因的表达，如拟南芥中的结构基因CHS、F3H、DFR和调节基因PAP1、PAP2[9]；强光上调矮牵牛CHS、CHI和FLS，但会造成野生型Mitchell中的DFR和ANS基因的弱表达[6]。黑暗或弱光处理下结构基因的表达量会下调甚至不表达，从而抑制花青素的合成，使植株出现白花或浅色花。紫苏在弱光下CHS、F3H、DFR和UFGT等的表达量下调，黑暗处理矮牵牛野生型Mitchell会导致DFR和ANS基因不表达[6]。

2.2 温度对花青素合成的调控

温度对花青素生物合成相关基因的表达起着至关重要的作用，是影响花青素积累的另一个主要环境因子。低温会促进花青素的合成，高温使植物分解代谢加剧，导致花青素合成减少和分解增加。夜间高温会抑制葡萄 CHS、F3H、DFR、LDOX 和UFGT的表达，降低酶活性，尤其是UFGT，能导致果皮中的花青素积累减少[10]；对其他很多物种如玉米、拟南芥和矮牵牛等的研究中也有同样的发现。低温则已证实可以诱导多种植物幼苗花青素积累，会提高拟南芥幼苗中HY5/HYH转录因子水平，促进CHS、CHI、F3H和DFR的表达，从而诱导花青素的积累[11]。

2.3 糖对花青素合成的调控

在植物的生长发育过程中，糖不仅作为重要的碳源和构成碳骨架参与花青素的合成，还作为一种信号分子，通过特异的信号转导途径调节花青素合成相关酶基因的表达而影响植物花青素的积累。研究表明，糖可以显著影响多种植物花青素的积累。矮牵牛花冠的着色需要糖的参与[12]，在葡萄表皮中也发现糖会诱导大部分花青素合成相关基因的表达[13]。不同种类的糖对植物花青素积累的影响不同，蔗糖是诱导花青素积累的主要糖类，能够特异性地诱导拟南芥中的花青素积累[14]，上调葡萄中的DFR/ANS和LDOX基因，使得花青素强烈增加[15]；相对于蔗糖，果糖和葡萄糖对拟南芥花青素的积累影响甚微[14]。除蔗糖外，其他生理性糖如葡萄糖和果糖对花瓣花青素的积累同样有效[16]，而非生理性糖如半乳糖和甘露糖，对花青素的生物合成没有影响，但甘露糖己糖激酶磷酸化后可以促进花青素相关基因的表达[17－18]。

通过植物体中的多种糖信号系统对糖的复杂感知和糖信号的转导机制，蔗糖调控拟南芥大部分结构基因和调节基因的表达[14，19]，调控萝卜下胚轴中的CHS和ANS基因的表达[20]。总之，花青素的形成必须有糖的存在，但糖对花青素的影响还会受到其他因素的制约。

3 各因素之间的相互作用对花青素合成的调控

除了光、温度和糖以外，激素、水分、矿质元素等因子也可以调控花青素的合成，而且各因子对花青素的调控往往不是单独进行的，可能同时还受到其他因素的影响或与其他因素一同进行花青素的调控。王曼等[21]研究发现，蔗糖参与蓝光对拟南芥叶片CHS基因表达的诱导，缺乏蔗糖会降低蓝光诱导的花青素积累。低温会明显诱导拟南芥花青素的积累，但这需要光的参与[11]。蔗糖和激素处理拟南芥，发现赤霉素会抑制蔗糖诱导的花青素合成，而茉莉酸和脱落酸会与糖协同作用诱导花青素[22]。

4 结语

近年来有关花青素生物合成与调控机制的研究取得了很大进展，参与合成的结构基因在很多植物中得到了克隆与表达分析，对各种因素调控花青素合成的研究也有一定的成果。多种因素形成一个复杂的系统来调控花青素的合成，而目前的研究大多集中于单一因素，多种因素对花青素合成的综合影响效应和机制尚不明确，因此花青素的多因素调控机制还有待进一步研究。阐明花青素合成调控系统对于明确植物代谢调控机制有着重要研究意义，并且具有广泛的应用前景，特别是在观赏植物育种改良、果树育种、食品保健品开发上显示出极大的应用价值。

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