植物花青苷代谢调控机理研究进展

应 震，周 庄

(浙江省亚热带作物研究所，浙江 温州 325000)

花青苷(Anthocyanin)属黄酮类化合物，由花青素(Anthocyanidin)和糖类(Saccharides)通过形成糖苷键合成。花青苷作为天然色素，广泛分布于植物多种组织器官中，是使植物组织呈黄、红、紫、蓝和黑(深紫)等多种颜色的重要色素。花青苷同时也具有抗癌、抗炎等药用及保健作用，并广泛应用到药、食品领域。目前在植物中已检测到上百种花青苷，而其特殊的生物学功能也吸引了科学家的关注，并提出了很多关于其功能的假说，如光保护、防辐射及植物抗逆等功能。早在1916年，Whldale就曾提出花青苷的合成可能是植物在强光下的一种自身保护行为，通过对光合作用的研究表明，过强光线照射下会使植物叶片中天线色素和聚光色素产生大量的质子，这些质子会对光合作用发生的类囊体有较强的伤害作用，而花青苷由于其特殊的光谱性质则可以吸收红色光谱，在植物细胞内部减弱光照的强度，这就使红色或紫色叶植物可以更适合在强光下生存[1]。除上述功能以外，花青苷积累也与植物繁衍后代有密切的关系，通常花青苷最易积累的部位是植物生殖器官，如花和果实，尤其是虫媒花，通常颜色非常深，这有助于被蜜蜂，蝴蝶，蜂鸟等动物识别，在采集植物花粉和花蜜的同时，也可以协助其进行传粉，而果实在被食用后，其种子也有机会被带到更远的地方，这就有利于该植物扩大自身的分布面积和范围[2]。

尽管植物花青苷合成途径已经研究得较为清晰，也发现了MYB、bHLH、WD40和DELLA蛋白等转录因子参与调控花青苷的合成。花青苷主要在鲜艳花朵花瓣中积累，但是很多复色花瓣的斑色形成机理是什么？哪些转录因子能在局部对花青苷合成进行调控？黄色玫瑰(Rosa)花瓣中积累天竺葵素类花青苷，而红色月季花瓣中积累矢车菊素类花青苷，是什么因素导致了这两种月季表型的差异？这显然不能用现行花青苷合成途径以及转录因子调控理论进行合理解释。山茶科(Theaceae)、樟科(Lauraceae)、蔷薇科(Rosaceae)等植物的叶片在生长初期积累了大量的矢车菊素类或飞燕草素类花青苷，而随着叶片生长发育，红色会迅速褪去，叶片恢复成绿色，花青苷的降解机理又是什么？与此同时，环境因素是如何调控植物花青苷积累的问题也尚未明确。本文主要综述近期花青苷生物合成及分子调控机理的研究进展，为解释上述问题提供研究方向和参考。

1 植物花青苷合成途径

图1 花青苷化学合成途径Fig 1 The synthesis pathway of anthocyanin

(1)PAL:Phenylalanine ammonia-lyase苯丙氨酸裂解酶;(2) C4H: Cinnamic acid 4 - hydroxylase 肉桂酸-4-羟化酶;(3)4CL: 4 - coumaric Acid-COA ligase;4-香豆酸-辅酶A连接酶;(4) CHS: Chalcone synthase 查尔酮合成酶;(5)CHI: Chalcone isomerase 查尔酮异构酶;(6) F3H: Flavanone 3-hydroxylase 黄烷酮3-羟化酶;(7) F3’H: Flavonoid 3' - hydroxylase类黄酮3’- 羟化酶;(8) DFR: Dihydroflavonol reductase 二氢黄酮醇还原酶;(9) ANS: Anthocyanidin synthase花青素合酶;(10) UFGT: UDP- flavonoid glycosyltrferase类黄酮糖基转移酶

图1所示为三种主要花青苷的合成途径，可以看出，花青苷合成存在两个主要步骤，第一步是花青苷由苯丙氨酸开始，在苯丙氨酸裂解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)、4-香豆酸-辅酶A连接酶(4CL)和查尔酮合成酶(CHS)催化下，经一系列化学反应生成查尔酮，查尔酮是第一个具有黄酮结构的化合物。第二步反应是从查尔酮通过查尔酮异构酶催化为柚皮素开始，再合成二氢黄酮类化合物，通过三种不同结构的二氢黄酮合成三种主要的花青苷，这步反应属于植物类黄酮代谢途径中的一部分，因此存在较为复杂的代谢关系。

1.1 合成途径中的调控作用

通过分子生物学研究，在合成通路上，主要发现查尔酮合成酶基因(CHS)，二氢黄酮还原酶基因(DFR)，类黄酮糖基转移酶基因(UFGT)这三个酶合成基因在花青苷代谢途径中起到了重要的调控作用。

1.1.1CHS基因的调控作用

查尔酮合成酶基因，简称CHS，该基因的功能是合成查尔酮。查尔酮是植物体内黄酮类化合物过程中最为关键的前体物质，在PAL途径未发现前，人们一直认为查尔酮是花青苷合成的起始[3, 4]。因此CHS基因表达活性与植物能否产生花青苷存在非常重要的关系。自从基因沉默现象被发现后，在研究CHS上取得了进展，早在1990年，研究人员就发现当反义CHS基因会干扰矮牵牛[Petuniahybrida(J.D.Hooker)Vilmorin.]花青苷的积累，使原本红色花的矮牵牛花色变为白色，花瓣中花青苷积累明显减少[5, 6]。在对山楂(CrataeguspinnatifidaBunge.)红色花瓣形成相关研究中，发现在山楂花瓣颜色由白加深至红色的过程中，CHS基因表达水平不断上升[10]。这一系列实验表明，CHS基因可能参与了植物组织花青苷积累的调控。

1.1.2DFR基因的调控作用

二氢黄酮醇还原酶基因，简称DFR。在花青苷形成过程中，由图1可以看出，DFR催化二氢山奈酚，二氢杨梅素和二氢槲皮素这三种二氢黄酮形成三种无色花青素，由此可以看出DFR基因的表达与花青苷合成直接相关。DFR基因早在1992年就已被克隆，随后不同植物的DFR基因在模式植物中进行了表达，实验结果显示了几乎所有的转基因植物的花色存在由白色向红色的转化现象，将紫土豆(SolanumtuberosumL.)中克隆得到的DFR基因转入其它正常品种的土豆中进行过量表达，结果发现该基因可以使正常土豆也变成红色[11]，这说明了DFR基因与花青苷合成有很大关联[12-14]。在对金花茶(CamellianitidissimaChi.)的研究中，发现DFR基因表达量明显偏低，使得原本开红花的山茶转变为开黄花的山茶[15]。与金花茶相似，在黄色洋葱(AlliumcepaL.)的DFR基因启动子区域发生点突变，由于无法合成花青苷上游产物，此时洋葱表皮转变成了黄色[16]。在对芜菁(BrassicarapaL.)低温处理后，同样发现DFR基因表达量上调，并促进植物组织积累花青苷，这说明温度对花青苷积累调控可能是通过DFR基因实现的[17]。若对DFR进行表达干扰，转基因植物花色会变为白色[12, 18-20]，通过上述研究充分表明DFR基因参与了调控植物花青苷的合成。

1.1.3UFGT基因的调控作用

类黄酮糖基转移酶基因，简称UFGT。通过合成途径可以明显看出该途径位于花青苷合成途径的末端，这就使植物花青苷含量与UFGT酶和基因表达水平活呈显著正相关。在苹果(MalusdomesticaL.)果皮花青苷合成过程中发现CHS酶并没起到效果，但是UFGT酶的酶活性与花青苷的合成有显著的正相关关系[21]。红葡萄和白葡萄的性状差异的主要原因是UFGT基因在红葡萄中大量表达[22, 23]。与前面结果相同，甜橙(Citrus)(红心橙)的CHS，DFR，ANS这三个基因表达与甜橙的花青苷积累并不相关，UFGT的表达量与甜橙花青苷积累呈正相关[24]。荔枝(LitchichinensisSonn.)由绿变红过程中UFGT表达量测定结果显示，在荔枝果实颜色加深伴随着UFGT表达水平上调，在果实3个生长阶段的表达量分别是绿色小于黄色时期，而红色时期的表达量最高[25]。桃树(AmygdaluspersicaL.)的红花和白花中ANS，CHS，DFR等基因都有表达，但UFGT基因在白色花朵中几乎没有表达，在红色花朵中的表达量却很高[26]。除了使果实和花色变红，UFGT基因表达水平还与紫马铃薯的块茎花色苷积累有正相关[27]。综上所述，植物花青苷合成途径过程中，对显色调控最关键的基因就是UFGT。从分子调控角度看，UFGT过量表达的结果使植物呈现较深的颜色，如深红色或深紫色，而DFR或ANS过量表达只是使颜色加深至粉红色或淡紫色。

1.1.4 转录因子调控作用

MYB蛋白是植物次生代谢中最主要的一类转录调控因子，这种蛋白通常需要和bHLH，PAP2和WD40等蛋白质形成复合体，共同作用于花青苷的合成。早在1997年，就有学者提出与玉米(ZeamaysL.)花青苷启动蛋白C1与MYB基因有关[28]。近期，科研人员发现类MYB蛋白也同样具有相似的调控作用，在甜菜根中，一类Y基因编码的蛋白类似MYB蛋白，激活了过去普遍认为由MYB蛋白激活的甜菜(Beta)红色素(非花青苷)合成通道[29]。目前MYB基因在大量植物中被发现，而其基因序列也相对保守，通过拟南芥[Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.]MYB基因序列设计引物，在豆类植物中发现了244个同源性序列[30]。由于其特殊的功能，使其成为近年来花青苷调控研究中最热门的一个调控基因。云南红梨(PyruspyrifoliaL.)在成熟过程中，随着颜色加深，MYB基因表达量和花青苷含量的积累呈现相关性[31]。猕猴桃(ActinidiachinensisPlanch.)开花过程中，随着花色加深，科研人员同样发现MYB基因表达水平会上调[32]。另外，科研人员将拟南芥中MYB基因和GLABRA3基因同时转进土豆中，发现土豆的花青苷合成基因的表达量明显上调[33]。在花青苷合成途径中，尽管MYB基因表达产物并不在关键产物间起催化作用，但是其表达量高低却对花青苷含量有着显著影响。目前在拟南芥花青苷调控体系和玉米花青苷合成调控体系中，均发现MYB基因对花青苷合成有重要的影响，但是拟南芥的MYB基因只对查尔酮合成到二氢黄酮类化合物起调控作用，玉米的MYB基因则对查尔酮到花青苷合成中所有的结构基因起调控作用[34]，在烟草中过量表达淫羊藿(EpimediumbrevicornuMaxim.)的MYB基因后花色变红，同时通过对花青苷基因表达水平进行分析，发现CHS，CHI和ANS基因表达水平明显上升。同样的结果也在红小麦(TriticumaestivumL.)[35]、杨树(PopulusL.)[36]的研究中得到证实，这说明MYB基因可以同时对多个与花青苷合成有关的基因进行调控。近年来对MYB基因的实验工作大多属于验证性实验，而将MYB基因研究结合整个花青苷调控的工作还不多，亟待深入开展。

除了MYB，bHLH、WD40和DELLA蛋白和基因也同样对花青苷积累起到正向调控作用，研究人员发现苹果果实在变红过程中，尤其存在外界环境因素干扰时，WD40和bHLH蛋白的调控是起到决定性作用。在牵牛花花青苷积累过程中，同样发现bHLH的基因起到重要的调控作用。最近研究发现DELLA蛋白可以调控MYB基因表达，进而影响MYB-bHLH-WD40蛋白复合体的生物学功能。

2 植物花青苷降解途径

植物花青苷降解调控是花青苷代谢调控的另一个主要途径。根据化学方法，研究发现花青苷在pH值处在1以下和10以上时会发生酸水解和碱水解[37, 38]，但目前在已知的植物体内并不存在如此极端的酸碱条件，从目前已有的报道看，植物细胞中花青苷是通过哪些途径进行降解的机理尚未明确。过去，普遍观点认为花青苷在植物组织中属于缓慢的自然分解，植物体内并无专门的代谢通路，如花瓣可以保持较长时间不褪色，或颜色逐渐变淡。但是山茶(CamelliajaponicaL.)，桂花(OsmanthusSp.)和樟树(CinnamomumbodinieriLevl.)等植物叶片生长初期呈明显的红色，随着叶片生长，颜色会迅速褪去成绿色，叶片花青苷的含量变化这显然不能用自然缓慢降解的理论加以解释。

植物光合作用是植物最重要的生理代谢途径，很多研究表明光照既可促进花青苷合成，同样也会促进花青苷的降解。通过对植物进行观察，发现弱光和强光都会促进叶片花青苷的积累，而在一定范围内的光线会促进叶片中花青苷加速分解。根据这一现象，科研人员进而发现植物组织中的过氧化物酶水平高低与花青苷积累存在一定负相关，当过氧化氢酶(CAT)活性水平增加，植物花青苷会迅速降解，而酶活性受抑制后，花青苷降解速度明显减慢，并推断过氧化氢酶可能是植物花青苷降解反应重要的调控酶。通过苹果和梨的果皮变化可以看出，青皮颜色褪去后，果皮的光合作用强度降低，此时红色的花青苷开始积累；而植物初生叶呈红色，随叶片光合成作用强度增加花青苷则迅速分解[39-42]。这可以看出，随着植物光合作用强度增加，过氧化物酶活性水平上升，花青苷确实存在加速降解的现象。但是，过氧化物酶是通过什么途径加速花青苷分解的机理尚未找到，由于过氧化物酶能快速促进花青苷分解，花青苷分解的过程也不明确，而过氧化物酶是否直接作用于花青苷使其降解也并不清楚，这需要今后从化学结构和分子水平上对花青苷的代谢机制做进一步的研究。

3 展望

植物花青苷合成途径目前已经了解得较为详细，合成途径中的基因功能也通过转化烟草或拟南芥的方式进行了相对深入的验证，同时也发现MYB等调控基因参与了花青苷的合成。但是从植物生理以及其所在的环境因素的角度上分析，可以看出目前植物的花青苷合成与其生理活动之间的关系目前尚未能进行合理的解释。从植物生物学活动上看，花青苷积累明显与植物抗逆之间存在不可分割的关系。可见，今后花青苷合成及调控研究将从目前的基因功能验证转向更深入的调控途径研究。花青苷合成途径属于类黄酮代谢途径，而类黄酮代谢途径是植物重要的次生代谢途径，与植物发挥正常的生理功能以及更好的适应自然环境有着密不可分的联系。结合目前已知的花青苷合成途径，可以看出花青苷相关的合成基因和调控基因在过量表达后，均会造成转基因植物组织中花青苷的积累。另外，不同的基因所受到非生物因素的调控却又是不同的，目前研究也发现MYB基因与植物抗寒性有关，而DELLA蛋白与植物在强光下的生理作用有关，这些环境因素是否通过调控基因间接影响到花青苷合成基因的表达还有待进一步研究。

花青苷在植物体内同时存在一个降解的调控，目前研究初步认为该调控与光合作用产生的过氧化物酶活性存在负相关，这又提出了植物花青苷积累调控的新问题：植物花青苷含量是否由一个动态平衡调控？外界自然因素是否也作用于花青苷降解途径进行反向调控植物花青苷的积累？结合植物不同的器官组织颜色变化，植物花青苷降解过程是否存在多个通路的调节？在这些通路中，又有哪些基因参与了调控？

这些思路将有助于我们深入的理解植物合成花青苷的生物学功能，为今后保护和开发植物资源提供有用的理论参考。