光照对植物多酚类物质代谢调控的研究进展

付博，梁俊阳，韩龙洋，张蒙蒙，李耀光，李林林，王静

(1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州450002；2.吉林烟草工业有限责任公司，吉林 长春 130033；3.河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450016；4.湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂，湖北 宜昌 443100)

植物多酚是一类广泛存在于植物体内的具有多元酚结构的次生代谢物，主要在植物的根、叶、壳、果肉及种皮中，其含量仅次于纤维素、半纤维素和木质素[1]。植物多酚种类繁多，多数由苯丙氨酸转化而来，主要包括类黄酮、酚酸、姜黄素、木酚素、芪类化合物和单宁[2]。其中，类黄酮物质又是植物次生代谢最主要的一类，被认为是整个植物界中最大、分布最广的一类植物成分，类黄酮物质主要有花青素(红色至紫色色素)、黄酮醇(无色至淡黄色色素)、黄烷醇(氧化后变为棕色的无色色素)和原花青素等[3]。当植物遭受外界逆境胁迫时，植物体内随之积累大量类黄酮等多酚类物质来抵御伤害。此外，大量研究表明，植物多酚具有抗氧化[4]、抗菌[5]、延缓皮肤衰老[6]、降低血糖、扩张血管以及保护脑血管等作用[7]，还可以作为天然甜味、天然色素及天然的食品防腐剂等[5]。

光照是影响植物生长发育重要的环境因子之一，它以环境信号的形式影响植物的光合作用、生长发育[8]、形态结构[9]、初生代谢、次生代谢[10]及其他生理特性[11]。光照对植物的影响主要体现在光质、光照度及光周期3个方面。不同光质(白光、紫外光、蓝光、绿光、黄光、红光和远红光等)[12]及不同的白光照射[13]直接影响植物的生长发育和结构特征。例如，蓝光有利于叶绿体的发育，红、蓝、绿复合光有利于叶面积的扩展，而红光更有利于光合产物的积累，不同光质对不同植物、不同组织器官叶绿素积累的影响不同[12]。世界上绝大多数植物拥有自己的生物节律钟，光周期的改变影响植物开花及次生代谢等[8]，所以光因素对提高植物体内重要次生代谢产物的影响不可忽视[14]。

1 光照对植物多酚类物质代谢调控研究现状分析

1.1 光周期对植物多酚类物质代谢的影响

光周期影响植物的开花时间、生长发育和品质形成[15]。一些花中花青素的生物合成受光周期调控的影响。不同红蓝光模式光照周期对紫叶生菜的研究中，发现红蓝光交替和交错照射均显著增加了生菜花青素和总酚的含量[16]。研究表明，光照可以增加花青素的浓度，尤其是果皮中的花青素浓度[17-18]。

短光照紫外线UV-B的处理，对提高大豆芽苗菜下胚轴中总酚类物质积累是有利的[19]。每天用UV-B照射8 h处理下胚轴，发现下胚轴中总酚含量均高于黑暗培养和其他光处理[20]。与光周期为12 h/12 h(昼/夜)光照12 d相比，光周期为20 h/8 h(昼/夜)光照4 d的条件下，高红光比例光质显著提高了绿叶生菜总酚物质含量[21]；随着红光比例的增加，紫叶生菜和绿叶生菜总酚相对含量会有所降低[22]。在研究不同光周期对苦荞芽菜的影响，发现芽菜花青素含量在光周期12 h/12 h(昼/夜)萌发2 d时最高，芦丁含量在光周期16 h/8 h(昼/夜)处理4 d时最高[23]。

芥蓝(BrassicaalboglabraL.)在不同的光周期照射下，随着光照时长时间的增加，芥蓝多酚类物质含量也会增加；并且不同的光质下，白光长光照比红蓝光光照条件更有利于芥蓝多酚类物质含量的积累[24]。24 h光照时间的处理，生菜当中的可溶性糖和总酚的含量有显著提高[25]。还有研究表明，独行菜(LepidiumsativumL.)在24 h光照时间长度下，总黄酮产量相比较其他处理要高[26]。SONG等[27]研究发现，在1/4霍格兰营养液培养条件下，生菜多酚物质的含量随光周期的增加先上升后下降，而在1/2和3/4霍格兰营养液培养下，随着光周期的延长，多酚物质含量均呈下降趋势。在对蕹菜的研究中，与其他光周期处理相比,光周期为12 h/12 h(昼/夜)的处理显著提高了蕹菜可溶性蛋白、Vc、总酚等品质显著增高[28]。在光周期为14 h/10 h(昼/夜)时，人参菜叶中的类黄酮物质、总酚及游离的氨基酸含量最高，品质最佳[15]。

综合研究发现，光周期对植物多酚的含量具有显著的影响。对于不同植物，适宜多酚类化合物的积累的光周期是不同的；对于同种植物，不同的光质条件下光周期也会影响植物多酚的积累。

1.2 光照度对植物多酚类物质代谢的影响

光照度不仅影响植物的光合作用及生长发育，也影响植物体内酚酸等次级代谢产物的合成[29-30]。研究表明，东北红豆杉的幼苗随着光照度的增大，类黄酮指数和花青素指数呈升高趋势[31]。光照度增大对植物体内黄酮类化合物的积累是有利的[32]，甚至可以改变异黄酮的组成[33]。LIANG等[34]用遮阴方法研究光照度对阴生植物角质羊草淫羊藿中几种黄酮类成分的影响，发现其黄酮化合物总量在高光照度下较高。银杏叶片在生长前期，光照度是影响类黄酮化合物含量的主要因素[35]。雪莲的愈伤组织培养[36]与绞股蓝细胞培养[37]试验发现，黑暗条件下不利于黄酮类化合物的形成，表明光照度可以影响黄酮类物质的形成。通过对蒲公英的不同遮阴处理，得出透光率在100%的自然光照度下，总黄酮含量最高[38]。根据NEUGART等[39]的研究，发现在温室下强光和弱光条件下芥兰(Brassicaoleraceavar.sabellica)中黄酮类化合物，在处理12周以后，强光处理总黄酮含量高于弱光。王加真等[40]研究发现，不同的光照度对植物多酚有不同的影响，光照度较高时显著增加了茶叶的茶多酚含量，而较低光照度下茶叶氨基酸含量、多酚类物质含量明显下降。

研究表明，强光能正调控花青素生物合成途径结构基因和调节基因的表达[41]。在对菊花的研究发现，强光照射后通过上调相关基因的表达量来促进花青素苷的合成进而提高花色深度；而遮光处理，对菊花的着色有抑制作用[42]。KOYAMA等[43]在研究赤霞葡萄珠果发育时发现，与遮阴叶片相比完全暴露在日光下的葡萄果黄酮醇的含量最高。在阳光直射下生长的越橘叶片中，除了原花青素外，其他所有类黄酮的含量都有所增加[44]。然而，对台湾金线莲的研究发现，总黄酮的含量随光照度的增加而有所减少，光照度超过一定范围后，黄酮的积累会受到抑制[45]。

综上所述，光照度的高低会影响植物多酚的合成。大多数植物在高强光照射下，多酚的含量会增加；在弱光下，会降低多酚类物质的含量。但有的植物组织中多酚的含量并不是随着光照度的增加而无限提高，而是存在一个适宜的光照度。

1.3 光质对植物多酚类物质代谢的影响

光质是影响植物种子萌发、光形态建成、庇荫反应、开花和衰老等生命活动和生理代谢反应的重要调控因子[46]，一方面可作为能量物质经光合色素吸收而影响光合作用的光反应阶段，另一方面可被不同的光受体感知从而发挥光信号作用，进而影响植物的生长发育及应对逆境胁迫的抗性[47-48]。

目前已经被鉴定主要有4种光受体，分别是光敏色素、隐花色素、向光素紫外光受体。接收光谱范围从UV-B至远红光波段[49-50]。光敏色素Pr形态吸收红光转换为具有生物活性的Pfr形态，而远红光又可以使Pfr转换回Pr。隐花色素和向光素均能够感受蓝光和UV-A[51]，并且隐花色素和向光素能调控植物的次生代谢，比如调节黄酮的代谢[52-53]。研究发现，FaPHOT2基因过表达能够增加草莓中花青素的含量[54]，而敲除FaPHOT2基因表达则降低花青素的含量。也有研究表明，隐花色素基因的超表达能够促进西红柿中花青素的积累[52]。不同的光质触发不同的光受体，进而会影响植物的生长发育、光合特性及次生代谢等。近年来，研究光质对植物次生代谢的影响主要集中在红光、远红光、蓝光和紫外光。

1.3.1 红光与远红光对植物多酚类物质代谢的影响 红光和远红光不同处理竹叶兰后，竹叶兰的类黄酮和总酚的含量降低[55]。在红光处理下，刺五加叶中总黄酮含量上升，而茎中的总黄酮含量降低，根中的总黄酮含量没有明显变化[56]。红光会抑制植物节间伸长，延迟花分化，但是花色素苷和叶绿素的含量增加[8]。茄皮在红光照射下，类黄酮含量显著高于其他处理[57]。在纯红光照射下，可以促进紫背花葵中花青素的积累[58]。

不仅红光对植物多酚的合成和积累有所影响，而且红光(R)和远红光(FR)的比值对植物的次生代谢产物也有影响。低比例E(R)∶E(FR)照射下，番茄花青素的合成受到严重抑制，但高E(R)∶E(FR)比例下生长的番茄花青素却正常合成。ALOKAM等[59]研究了相同环境条件下不同E(R)∶E(FR)比值下长柄星天牛高山植物与草原植物花青素积累的差异，发现高E(R)∶E(FR)条件下草原植物的花青素水平显著高于高山植物。在低E(R)∶E(FR)条件下，高山和草原植物的花青素含量基本相同。TEGELBERG等[60]利用高效液相色谱分析，发现远红光照射比红光下白桦叶片酚酸含量高。紫外诱导的黄酮醇、山奈酚、槲皮素和绿原酸的生成未受E(R)∶E(FR)比例的影响。

1.3.2 蓝光对植物多酚类物质代谢的影响 与红光和远红光相比，蓝光使幼苗生长健壮，根系发达，生物量积累且有利于多酚化合物、黄酮类物质、花色素苷等活性成分的积累[55,57,61]。郭阿瑾等[55]研究结果表明，蓝光可促使竹叶兰体内抗氧化酶含量增加，提高活性氧清除能力和总抗氧化能力。LIU等[62]发现蓝光处理显著增加豌豆幼苗中绿原酸、没食子酸和阿魏酸等酸的含量。用蓝光和绿光对青钱柳叶处理后酚类含量及抗氧化活性得到提升[63]。李亚华等[57]采用发光二极管来研究光质对茄子品质的影响，发现蓝光处理下，茄子果肉中花青素含量显著的提高，但总黄酮和总酚产量显著降低。蓝光连续照射显著提高大豆芽苗中黄酮类化合物的含量[64]。这些研究仅在光质对总酚含量和抗氧化能力的变化层面，尚未涉及酚类物质合成相关酶活性及其基因表达在光质调控酚类物质积累中的作用机制。

不同波长的蓝光处理金线莲(AnoectochilusformosanusHayata)，其次生代谢物黄酮化合物的含量均高于对照组[65]。付博[66]前期对烟草的研究表明，与红光、远红光和紫外处理相比，蓝光照射下已鉴定的黄酮类物质中黄酮甲基衍生物含量最高。生菜在远红光和蓝光分阶段补光照射后，生菜的抗氧化能力、类黄酮含量、多酚含量比对照红白光显著增加[67]。在长光照处理下，在樱桃萝卜肉质根中检测到多酚含量均显著高于同时期其他光质光周期处理[68]。光质对草莓不同基因型的花青素合成的研究中，发现在开花后25 d时，蓝光处理的花青素含量均高于其他处理[69]。

XU等[70]发现，蓝光能够促使草莓的花青素含量显著增加，并且上调苯丙烷和黄酮代谢途径相关酶的活性，包括G6PC (glucose-6 phosphatase)、PAL (phenylalanine ammonialyase)、C4H (cinnamate-4-hydroxylase)、4CL (4-coumarate:coenzyme A ligase)、CHS (chalcone synthase)、(flavanone 3-hydroxylase)、DFR (dihydroquercetin reductase)、ANS (anthocyanidin synthase)和UFGT (UDP-glucose :flavonol 3-O-glucosyltransferase)。此外，蓝色LED光处理也能促进葡萄果实花青素的积累[71]。

1.3.3 紫外光对植物多酚类物质代谢的影响 UV-B辐射作为一种逆境因子，能够促进植物进行次生代谢，刺激植物组织内次生代谢物质如酚类和类黄酮的累积[72]。酚类物质能够吸收UV-B，使叶片细胞能够在紫外光穿透叶片表皮时将其过滤，到达叶片内部的UV-B会减弱，这些是植物保护自身免受太阳光中高强度的紫外光伤害的重要机制[73]。植物在酚类化合物，尤其是类黄酮和羟基肉桂酸合成和积累方面对UV-B辐射表现出极强的抵御作用[74]。

许多研究表明，涉及紫外线辐射对次生代谢的影响，特别是类黄酮[75]。3种湿地植物叶片在UV-B照射下，类黄酮含量在高辐射处理下先增加后降低，低辐射处理持续增加，且高辐射处理显著高于低辐射处理、低辐射处理显著高于对照[76]。在红蓝照射条件下增加不同强度的UV-B照射，随着紫外强度的增加，花青素和总酚含量显著增加[77]。植物受到UV-B照射后，体内的酚类化合物含量会上升，但是在长时间的照射下，会降低植物的光合作用，最终多酚类化合物又会降低[78]。

UV-B调控酚类物质合成的基因大致可以分为两大类：直接编码酚类代谢途径所需酶的结构基因和能减弱或增强这些酶含量与活性的调控基因[79]。LIU等[80]发现UV-B照射能够增加葡萄当中黄酮醇含量，特别是槲皮素和山奈酚糖苷衍生物的含量。另外，在自然光中补充UV-B辐射可以增加油桃(Prunuspersica)表皮的花青素含量，并且上调类黄酮合成基因PpDFR和PpUFGT以及转录因子PpMYB10基因的表达[81]。而在缺少UV-B辐射的情况下葡萄黄酮含量显著降低，并且降低了VvFLS4基因的表达水平。紫外线辐射对多酚类物质的影响主要是由于紫外线可影响多酚底物合成途径中关键酶活性和相关基因表达。UBI等[82]研究发现UV-B能够提高苹果果皮中查尔酮合酶、黄酮-3-羟化酶、二氢氟醇-4-还原酶、花青素合成酶和UDP-葡萄糖：黄酮-3-O-葡萄糖转移酶关键基因的表达水平。UV-B 辐射提高了苹果中类黄酮途径中CHS、DFR、F3H、LDOX、UFGT基因的表达[82]，诱导黄酮类化合物代谢相关酶产生正响应。

2 问题

综合以上研究，发现大多研究是关注多酚类物质生物合成受光质、光照度及光周期的影响，很少有人研究光照对植物多酚类物质代谢的调控机制。FU等[83]研究发现，高比例的UV-A和蓝、紫光能够促进黄酮和黄酮糖苷衍生物在烟草(NicotianatabacumL.)中的积累，却抑制黄酮甲基衍生物的积累。目前，已知光受体感受周围光质环境后通过COP1蛋白调控HY5的合成或降解；而HY5能够激活R2R3MYB转录因子，R2R3MYB转录因子与结构基因启动子中顺式作用元件(MRE)结合，进而调控黄酮合成基因和UFGT基因的转录。但是利用植物启动子分析数据库PLACE和plant CARE，分析黄酮甲基转移酶基因 NtFOMT启动子的顺式作用元件，发现该启动子中并不包含MYB的识别元件(MRE)。究竟哪些响应光质调控的顺式作用元件参与光质调控黄酮甲基化的反应还不清楚，需要系统研究光照调控多酚类物质的响应机制。

3 展望

光作为植物正常生长发育的环境因子，对多酚类物质代谢起到非常重要的影响。植物在不同的光照条件下，可以调控多酚类物质的合成和积累，而且不同光质下，多酚类化合物合成的种类不同、其合成的含量也有所差别。多酚类物质代谢途径的调控是环境和基因共同作用的结果。大量研究表明，植物多酚类物质的生物合成对光质比较敏感，特别是波长较短的蓝光和紫外光能够上调黄酮生物合成基因的表达，并促进黄酮化合物在植物体内的积累。此外，光照调控植物次生代谢的机制的调控并不是简单的转录因子及顺式作用元件对光质、光照度及光周期的响应，而是植物激素参与其中的非常复杂的信号转导机制。因此，系统分析光照对多酚类物质代谢调控途径，为今后通过不同光质、不同照射时间和强度改良调控多酚类物质的合成基因，为来提高植物体内多酚类物质的含量奠定基础。