花生种皮颜色研究进展

吴紫萱 薛其勤 杨会 刘风珍

摘要：花生（ArachishypogaeaL.）种皮由珠被发育而来，分三层，外表皮是一层厚壁细胞，中间层为若干层薄壁细胞，内表皮为一层薄壁细胞。种皮色素物质主要分布在1～2层表皮细胞内。种皮颜色是决定花生商品和保健价值的重要性状。本文主要对花生种皮颜色类型、不同颜色种皮的营养功效、种皮发育进程中的色泽变化和色素沉积、种皮颜色的遗传以及相关基因定位等方面研究进展进行综述，并对其未来研究进行了展望。

关键词：花生;种皮颜色;色素

中图分类号：S565.2 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2022）01-0152-05

花生又名长生果，属豆科植物。花生是我国主要的油料作物和经济作物之一，也是重要的特色出口农产品[1]，是促进农业可持续发展的主要农产品之一[2]。随着人民生活水平的提高，花生用作加工食品和外贸出口的比例在逐步增加，人们对特有的种皮色泽和特有的营养成分需求也日益增多[3]。我国花生种质资源丰富，籽仁种皮颜色分白、粉、红、紫、黑等多种类型。种皮色素物质主要分布在1～2层表皮细胞内。花生种皮除了含有多种营养成分外，还富含黄酮素类化合物、原花色素、白藜芦醇、花青素等多种生理活性成分，具有清除自由基、抗癌、降血压等作用。近几年，国内外学者对于花生种皮颜色的形成机制，尤其是色素积累基因的研究已有多次报道。

1 花生种皮颜色差异的生化机制

花生种皮颜色的差异主要是由于种皮细胞内黄酮和色素综合作用表现的结果，浅色种皮的黄酮和色素含量较少，深色种皮花生受色素含量较高的影响使得颜色变深[4]。有研究发现，白藜芦醇含量也会影响花生种皮颜色：Park等[5]发现紫色种皮花生的毛状根中白藜芦醇含量高于褐色种皮花生毛状根中的含量。红色花生种皮中的色素主要为黄酮类色素，黑色花生种皮中的色素主要为黄酮类色素、花色苷类色素等[6]。胡梦蝶等[7]研究发现，在种皮的花斑着色区花翠素、矢车菊素含量高于非着色区，非着色区代谢产物中原花青素含量最高，使非着色区呈现白色。花生种皮颜色深浅和花青素含量多少有关[8]。Wan等[9]利用代谢组分析发现，白色种皮花生突变体相较于粉色种皮品种，其种皮的花青素和原花青素含量显著下降。花青素在植物界中是很大一类水溶性色素，主要累积在植物细胞的液泡内，常表现于叶片、花瓣、种子和果实中。黑色种皮花生的花青素含量高于其它颜色种皮的含量[10]。

2 花生种皮颜色变化及色素沉积规律

孙奇泽等[11]用量化颜色的3个指标（L、a、b）分析了不同种皮颜色花生籽仁的变化规律：L表示亮度，其值越大，说明物体颜色越偏向白色，其值越小，颜色越偏向黑色;色度a从零开始，其值由小变大反映物体的颜色从白色变为红色;色度b从零开始，其值由小变大反映物体的颜色从白色变为黄色。随着籽仁的发育，白花生种皮的L值变化较小，在果针入土25天时，亮度值达到最大，随后呈现下降趋势;粉红色花生种皮的亮度值变化也较小，呈现出先升后降再升高的规律;黑花生和紫花生在果针入土30天前亮度下降极为显著，随后黑花生的亮度呈现略微上升的趋势，紫花生的亮度呈现略微下降的趋势。在整个籽仁发育期间，种皮色度a 值变化范围较小，黑花生和紫花生种皮色度a 值随种皮发育时长呈现上升趋势，即颜色逐渐变深的过程。黑花生色度b值在种皮发育期间不断增大，且小于白花生和粉红色花生。在植株发育过程中，黄酮含量在花生中进行不同程度的转移，白色花生种皮中的黄酮含量在整个发育期内都很少，黄酮向籽粒的转移量较小，向叶片的转移量较多;紫花生、黑花生和粉红色花生种皮的黄酮含量都显著大于白色花生种皮。在黄酮向荚果转移的量上，粉红色花生最多，其次是紫花生和黑花生。在种皮色素含量的变化上，白色花生种皮中几乎没有色素，黑花生和紫花生的色素生成速率和色素含量都明显高于白花生和粉红色花生[4]。

3 不同颜色花生种皮的营养功效

花生种皮具有较高的营养利用价值。张煊等[12]研究表明白藜芦醇具有保健功能，在抗癌、抗氧化、增强免疫力等方面作用显著。杜睿[13]研究表明花生红色种皮中的低聚原花色素具有抗氧化性，其抗氧化性与其加入量呈正相关。在相同浓度条件下，花生红色种皮的低聚原花色素的还原能力，对羟自由基、亞硝酸根离子的清除效果高于抗坏血酸，同时对亚油酸的自动氧化起到很好的抑制作用。红皮花生对多种出血症均有较好的疗效，如血友病、类血友病等。黑花生仁的油脂和粗蛋白含量均较高，种皮易褪，且有较高的利用价值[14]。花青素在深色花生种皮中含量高，具有抗氧化作用[15]，可以清除体内的自由基，减少细胞应对氧化作用的损伤，可以通过多途径控制炎症因子的表达，从而有效地抑制肿瘤的发生[16]。Garcia等[17]研究表明可以通过食用含花青素的食品来改善抗氧化状态以降低患心脑血管疾病风险。杜蕾[18]研究表明黑花生衣原花青素能有效清除羟自由基、超氧阴离子自由基，调节血脂水平。张淑娟[6]研究表明黑色花生种皮的色素对超氧阴离子自由基、过氧化氢和羟自由基的清除能力较好，清除作用与浓度呈量效关系，并在一定情况下黑色花生种皮的色素可以降低血脂水平，降低动脉粥样硬化的危险性，且黑花生种皮中的色素抗氧化活性能力略小于抗坏血酸。

4 花生种皮颜色的遗传及相关基因的定位

一些研究认为花生种皮颜色受一对基因控制，另一些研究认为受两对或三对基因控制。Branch等[19]研究证明，杂交亲本间种皮的深红色与棕黄色或粉红色的差异是由单基因控制，亲本间种皮的红色性状与深红色性状的差异是由两对基因控制。胡晓辉等[20]研究表明种皮颜色的差异受一对不完全显性的主效基因控制，这与洪彦彬等[21]利用构建的珍珠黑与粤油13杂交后代的研究结果即花生深紫色种皮颜色性状受一对不完全显性主效基因控制相一致。庄伟建等[22]通过对构建的白皮1号与粤油116、汕油71和泉花10号杂交后代的研究发现，花生白色种皮由两对隐性基因控制。薛其勤等[23]以山花15号与中花12号为亲本构建了RIL群体，对其研究得出花生种皮中花青素含量的最适模型为两对主基因控制的加性—上位性效应主基因遗传模型。

赵钰涵[24]利用花生黑色种皮品种YH29与粉种皮品种WH10杂交并构建了定位F2群体，结果显示，黑色种皮∶中间型∶粉红种皮为1∶2∶1，符合单基因控制的分离比，利用QTL-seq、BSR和SNP-Array等方法，将和花青素累积相关的基因定位在花生10号染色体108～112.7Mb区间内;并在70～109Mb内筛选到一个与黑种皮性状紧密连锁的SSR 标记pTsaSSR107.16[25]，这与Shirasawa等[26]整合的花生遗传图谱上的结果一致，即相关控制黑色种皮的基因序列位于花生10号染色体上。Zhao等[27]鉴定了A10染色体上调控花生紫色种皮的主基因AhTc1，该基因为转录因子基因AhTC1R2R3-MYB。Zhuang等[28]将控制红色种皮的单个显性基因定位到3号染色体上0.905cM区域内，并发现候选基因WRKYs、MYB、bHLH家族基因和细胞色素450基因与花青素生物合成有关。Zhang等[29]根据种子图像中的红色、绿色和蓝色值来确定种皮颜色，发现23对控制花生种皮颜色值的上位性QTL，其中5对上位性QTL调节红色值，10对上位性QTL调节绿色值，并在3号染色体116.78～118.94Mb间检测到稳定一致位点，区间内有两个编码MYB转录因子基因，一个调控类黄酮合成基因。

5 花生种皮花青素积累相关的基因

花青素生物合成代谢途径是类黄酮途径的一个分支途径，其合成途径包括苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶、查尔酮异构酶、二氢黄酮醇4-还原酶、类黄酮-3′羟化酶、花色苷合成酶和类黄酮3-O-糖基转移等关键酶。李海芬等[30]分别提取金花39、粤油7号、珍珠红和珍珠黑共4种颜色花生种皮的RNA，发现二氢黄酮醇4-还原酶基因、类黄酮-3′羟化酶基因、类黄酮3-O-糖基转移酶基因在红色种皮中表达量较高，且前两者在红色品种的种子全发育期一直保持较高表达水平。在种皮颜色较深的花生品种中，花色苷合成酶基因高表达。花青素在查尔酮异构酶基因、查尔酮合成酶基因和二氢黄酮醇4-还原酶基因的促进下形成，使种皮颜色变深[18]。Wan等[9]在研究中发现黄酮醇合成酶和二氢黄酮醇4-还原酶基因的竞争性表达导致黄酮醇和花青素积累的改变。李海芬等[30]以黑色、深红色、浅红色和白色共4种典型种皮颜色花生品种为材料，克隆出花生苯丙氨酸解氨酶基因、查尔酮合成酶基因、查尔酮异构酶基因、二氫黄酮醇4-还原酶基因、类黄酮-3′羟化酶基因、花色苷合成酶基因和类黄酮3-O-糖基转移酶基因共7个花青素合成相关基因的全长。Xue等[31]研究表明类黄酮生物合成途径中的苯丙氨酸解氨酶基因、肉桂酸4-羟化酶基因、查尔酮合酶基因、黄烷酮3-羟化酶基因、黄烷酮3′-羟化酶基因、二氢黄酮醇4-还原酶基因、花青素合成酶基因、无色花青素还原酶基因和花青素还原酶基因在早期高水平表达，在花青素积累中起重要作用。Wan等[32]研究表明，类黄酮途径的生物合成基因（苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸4-羟化酶基因、查尔酮合成酶基因和查尔酮异构酶基因）表达的变化是花生种皮色素积累的原因。苯丙氨酸解氨酶基因的表达水平与色素积累度一致，其表达水平与色素沉着度成正比，4-香豆酸CoA连接酶基因的表达水平也与色素沉着度成正比，查尔酮异构酶基因的表达模式与花生种皮色素的积累一致，而花青素还原酶基因和无色花青素还原酶基因的表达呈现早期表达水平较高、后期表达水平逐渐下降的特征。赵钰涵等[10]研究发现，在花青素调控相关途径中，黑花生中编码4-香豆酸-CoA连接酶的基因显著下调，使木质素合成途径的中间体减少，同时编码咖啡酸3-O-甲基转移酶的基因也显著下调，编码木质素合成酶的基因下调。咖啡酸3-O-甲基转移酶和木质素合成酶在木质素合成的多个过程中起催化作用，说明木质素合成过程中编码合成木质素相关酶的基因都显著下调，使木质素的积累减少，令更多的底物流向花青素合成途径，最终让花青素积累量显著增多。Xia等[33]研究也发现，大多数与木质素生物合成相关的结构基因在黑色种皮花生中下调。黑花生品种YH29花青素生物合成途径中5种关键酶（苯丙氨酸解氨酶、查尔酮合成酶、二氢黄酮醇还原酶、无色花青素双加氧酶、类黄酮3-O-葡糖基转移酶）的编码基因均上调表达，而在与花青素生物合成相竞争的其它代谢途径中编码相关酶的基因表达下调，这可能就是使其呈现黑色种皮表型的关键因素[24]。

植物花青素生物合成基因的表达受多种转录因子的调控。番茄中控制花青素积累的主要物质是MBW 三元复合物，即MYB-bHLH-WD40，MYB转录因子在其中起主要作用[34]，花椰菜[35]和甘蓝[36]中亦如此。在双子叶植物拟南芥中，MYB和HY5都可以调控相关花青素合成相关基因[37，38]。在黑种皮和粉红种皮花生品种进行的转录组分析中发现，MYB-bHLH-WD40转录复合物在转录水平上调控花青素代谢途径，其中黑种皮花生中上调表达量最明显的两个MYB转录因子是与花青素合成相关的R2R3-MYB（起关键作用），还有一个HY5蛋白在黑花生中表达上调[10]。Wan等[32]在比较开花后40天和开花后20天的种皮转录组发现，有4个bHLH基因的表达上调，4个编码MYB转录因子的基因表达上调，1个编码WD40的基因表达上调;在开花后60天与开花后20天的种皮转录组比较中，编码6个bHLHs、4个MYB转录因子和4个WD40的基因表达增加。Xue等[31]利用中花15号和山花12号作为材料，比较了花生R4和R7两个发育时期的种皮转录组，R4时期开始沉积色素，R7时期着色基本完成;在种皮发育过程中，山花15号含37个bHLH差异表达基因，其中8个基因在R7时期高度上调;中花12号中检测到59个bHLH差异表达基因，R7发育时期有15个基因上调，44个基因下调。Xia等[33]发掘的3个与AtPAP1和AtPAP2高度同源的R2R3MYB转录因子J3K16K、ADTW6E和1LQ424在黑色种皮花生中显著上调;两个与AhTT8同源、调节拟南芥花青素的重要bHLH转录因子也被鉴定，这两个bHLH转录因子在黑色种皮花生中的表达量明显低于在粉色种皮花生中的表达量。Wan等[39]鉴定出一个R2R3-MYB转录因子c33560_g1，其在花生种皮色素沉着中有潜在作用。Wan等[9]对花生色素调控的研究表明，花青素的生物合成主要由AtMYB111同源物通过早期生物合成基因调控，这是花生种皮色素的独特调控模式。

6 展望

目前，针对花生多色种皮的研究多数为花生种皮不同色彩的成分、提取和功效作用，有关特殊种皮颜色花生的杂种优势研究也有部分报道[3]。未来可以系统地研究不同颜色种皮花生的农艺性状、产量性状、抗逆性状等综合性状，为生产上提供高产稳产的彩色花生。国内外对黑色种皮花生的研究多集中在种皮色素提取和色素稳定性等方面，对于花生种皮颜色的遗传机制也有报道，但有关调控花生种皮颜色的基因研究、遗传和分子机制研究相对较少。控制花生种皮颜色基因的精准定位有待开发，控制花生种皮颜色深浅的基因———比如花青素积累相关基因的精细定位也有待研究发掘。近年来陆续有相关报告指出，花青素具有超强抗氧化力，较传统维生素C、维生素E抗氧化能力高出数十倍，且具有可预防心血管疾病、延缓细胞老化、改善视力及抗癌等功能，因此富含花青素种皮的花生，未来潜力不容小觑[40]。所以需要运用现有的分子标记，或开发其它不同类型的稳定的SSR、SNP等分子标记，来进行相关基因的定位，为深入研究花生种皮花青素合成的分子机理及培育高花青素含量的花生新品种提供参考。现有的黑种皮花生品种较少，和常规品种的产量相比偏低。因此，想要提高黑花生品种的产量来满足市场需求，开发与种皮花青素合成基因连锁的分子标记迫在眉睫[41]。

综上所述，关于花生不同颜色种皮的研究已开展一些，但是还有更详细的工作需要深入开展。