花青素的生物合成與環境調控研究進展

黃鴻曼，袁利兵，彭志紅，任春梅,2

（1.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

花青素（anthocyanins）是一類重要水溶性色素，屬黃酮類化合物，廣泛分布于植物的花朵、果實、根、莖和葉等營養器官的細胞質中，是構成花瓣和果實的主要色素之一。花青素在植物體內主要以糖苷類化合物存在，因此也稱作花色苷或花色素苷。

花青素在植物體內起著重要作用，不僅可以使花朵和果實呈現鮮艷的顏色而具有觀賞價值，也有利于吸引昆蟲和食草動物協助傳粉和種子傳播，還有助于提高抗逆性；同時，在醫學界也引起了廣泛關注，已有研究顯示花青素具有抗氧化、抗炎、調節血脂、抗腫瘤等一系列生理活性[1]，具有作為保健食品或輔助治療藥物開發利用的巨大潛力和價值。筆者介紹了花青素生物合成過程中的關鍵酶和基因以及主要的環境因子對花青素合成的調控，以便對花青素的合成和調控有更深入的了解。

1 花青素的生物合成

花青素的生物合成途徑是類黃酮物質合成途徑的一個分支，在多種植物中的合成過程已有深入研究；現已闡明，植物的花青素生物合成途徑大體相同，都是以苯丙氨酸為直接前體，由一系列結構基因編碼的合成酶催化合成[2]，其生物合成途徑見圖1。

圖1 花青素生物合成途徑

苯丙氨酸解氨酶（PAL）催化苯丙氨酸脫氨形成肉桂酸，是合成花青素也是合成其他多種化合物如類黃酮和木質素的起始酶。PAL由多基因家族編碼，PAL基因的表達受自身發育和環境因素雙重調控。

查耳酮合成酶（CHS）催化丙二酰CoA和4-香豆酰CoA反應生成查耳酮，為花青素和其他類黃酮提供基本骨架結構。CHS的表達對光敏感，紫外光和藍光能夠促進CHS表達，且有協同作用[3]。

查耳酮異構酶（CHI）催化反應的一個最重要的特點是將黃色的查耳酮轉變成了無色的黃烷酮，植物體內幾乎所有的類黃酮化合物都是從黃烷酮衍生而來的。CHI活性減弱或CHI基因表達降低會導致查耳酮及其衍生物不能被正常催化，類黃酮生物合成途徑無法繼續向下進行。

黃烷酮羥化酶（F3H）是位于類黃酮合成通路分支點處的關鍵酶，除催化黃烷酮外，還能催化圣草酚、柚皮素、羥基雙氫黃酮的羥基化，生成二氫黃酮醇。二氫黃酮醇是類黃酮3＇-羥化酶(F3′H)和類黃酮 3′，5′-羥化酶（F3′5′H）的共同底物，這兩種酶所催化的反應產物是合成花青素的直接前體[2]。

二氫黃酮醇還原酶（DFR）是催化多種黃烷酮醇轉變成相應無色花青素，包括白矢車菊素和白翠雀素。

花青素合成酶（ANS）是一種雙加氧酶，是位于花青素合成通路末端的關鍵酶，催化從無色花青素到有色花青素的轉變。

類黃酮3，5-糖苷轉移酶（UFGT）使不穩定的花青素轉變為穩定的花青素。

相關酶在細胞質中組織成以膜為支架位于特定亞細胞位點的多酶復合體，有利于花青素生物合成的總體效率和調節[4]。花青素合成后會進一步修飾，如糖基化、甲基化等，修飾后的花青素通過分子疊加效應和交互作用，在不同的植物中有不同變化，呈現出各種顏色[5]。

2 環境因子對花青素合成的調控

2.1 光對花青素合成的調控

光對植物的生長發育起著重要的調節作用，也是影響花青素合成最重要的環境因子之一，大多數植物中花青素的合成需要有光的誘導。光質、光強等都會影響花青素的合成與積累，在不同物種中的影響也不同[6]。

在花青素的合成和積累過程中，不同的光質對花青素的調控作用效果不同。UV-B可以誘導花朵和葉片中花青素的合成；UV-A可以特異性誘導番茄幼苗和果實中PAL的表達和花青素的合成，但對其他植物的花青素合成影響較小[7]。藍光和紅光對在矮牽牛花青素結構基因的誘導表達效果相似，而綠光卻會稍弱相關基因的表達量[8]。

研究發現，強光可以同時誘導結構基因和調節基因的表達，如擬南芥中的結構基因CHS、F3H、DFR和調節基因PAP1、PAP2[9]；強光上調矮牽牛CHS、CHI和FLS，但會造成野生型Mitchell中的DFR和ANS基因的弱表達[6]。黑暗或弱光處理下結構基因的表達量會下調甚至不表達，從而抑制花青素的合成，使植株出現白花或淺色花。紫蘇在弱光下CHS、F3H、DFR和UFGT等的表達量下調，黑暗處理矮牽牛野生型Mitchell會導致DFR和ANS基因不表達[6]。

2.2 溫度對花青素合成的調控

溫度對花青素生物合成相關基因的表達起著至關重要的作用，是影響花青素積累的另一個主要環境因子。低溫會促進花青素的合成，高溫使植物分解代謝加劇，導致花青素合成減少和分解增加。夜間高溫會抑制葡萄 CHS、F3H、DFR、LDOX 和UFGT的表達，降低酶活性，尤其是UFGT，能導致果皮中的花青素積累減少[10]；對其他很多物種如玉米、擬南芥和矮牽牛等的研究中也有同樣的發現。低溫則已證實可以誘導多種植物幼苗花青素積累，會提高擬南芥幼苗中HY5/HYH轉錄因子水平，促進CHS、CHI、F3H和DFR的表達，從而誘導花青素的積累[11]。

2.3 糖對花青素合成的調控

在植物的生長發育過程中，糖不僅作為重要的碳源和構成碳骨架參與花青素的合成，還作為一種信號分子，通過特異的信號轉導途徑調節花青素合成相關酶基因的表達而影響植物花青素的積累。研究表明，糖可以顯著影響多種植物花青素的積累。矮牽牛花冠的著色需要糖的參與[12]，在葡萄表皮中也發現糖會誘導大部分花青素合成相關基因的表達[13]。不同種類的糖對植物花青素積累的影響不同，蔗糖是誘導花青素積累的主要糖類，能夠特異性地誘導擬南芥中的花青素積累[14]，上調葡萄中的DFR/ANS和LDOX基因，使得花青素強烈增加[15]；相對于蔗糖，果糖和葡萄糖對擬南芥花青素的積累影響甚微[14]。除蔗糖外，其他生理性糖如葡萄糖和果糖對花瓣花青素的積累同樣有效[16]，而非生理性糖如半乳糖和甘露糖，對花青素的生物合成沒有影響，但甘露糖己糖激酶磷酸化后可以促進花青素相關基因的表達[17－18]。

通過植物體中的多種糖信號系統對糖的復雜感知和糖信號的轉導機制，蔗糖調控擬南芥大部分結構基因和調節基因的表達[14，19]，調控蘿卜下胚軸中的CHS和ANS基因的表達[20]。總之，花青素的形成必須有糖的存在，但糖對花青素的影響還會受到其他因素的制約。

3 各因素之間的相互作用對花青素合成的調控

除了光、溫度和糖以外，激素、水分、礦質元素等因子也可以調控花青素的合成，而且各因子對花青素的調控往往不是單獨進行的，可能同時還受到其他因素的影響或與其他因素一同進行花青素的調控。王曼等[21]研究發現，蔗糖參與藍光對擬南芥葉片CHS基因表達的誘導，缺乏蔗糖會降低藍光誘導的花青素積累。低溫會明顯誘導擬南芥花青素的積累，但這需要光的參與[11]。蔗糖和激素處理擬南芥，發現赤霉素會抑制蔗糖誘導的花青素合成，而茉莉酸和脫落酸會與糖協同作用誘導花青素[22]。

4 結語

近年來有關花青素生物合成與調控機制的研究取得了很大進展，參與合成的結構基因在很多植物中得到了克隆與表達分析，對各種因素調控花青素合成的研究也有一定的成果。多種因素形成一個復雜的系統來調控花青素的合成，而目前的研究大多集中于單一因素，多種因素對花青素合成的綜合影響效應和機制尚不明確，因此花青素的多因素調控機制還有待進一步研究。闡明花青素合成調控系統對于明確植物代謝調控機制有著重要研究意義，并且具有廣泛的應用前景，特別是在觀賞植物育種改良、果樹育種、食品保健品開發上顯示出極大的應用價值。

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