茄果類蔬菜花青素研究進展

于 洋， 朱 月， 劉 晗， 于 爽

(牡丹江師范學院 生命科學與技術學院， 黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

我國主要的茄果類蔬菜作物有番茄、辣椒、茄子，在蔬菜生產和市場供應上占據重要地位，約占整個蔬菜供應量的20%。茄果類蔬菜的播種面積逐年增大，根據2018年聯合國糧食及農業組織(FAO)統計顯示，全世界番茄的播種面積476.15萬hm2，中國番茄的播種面積為104.01萬hm2，占世界播種面積的21.84%；全世界辣椒的播種面積為376.68萬hm2，中國辣椒的播種面積為81.94萬hm2，占世界播種面積的21.75%；全世界茄子的播種面積為186.45萬hm2，其中，中國茄子的播種面積為80.46萬hm2，占世界播種面積的43.15%?，F階段，我國蔬菜產業正面臨由高產量向“提質增效”發展的趨勢，蔬菜的營養品質顯得更加重要。茄果類蔬菜中含有大量的花青素，其具有保健、抗炎、抗腫瘤、調節血脂和改善糖尿病等積極作用。因此，研究茄果類蔬菜花青素對提高茄果類蔬菜營養品質具有重要意義。

1 花青素在茄果類蔬菜中的作用

花青素屬于類黃酮，是植物體內重要的次生代謝產物?；ㄇ嗨匾兹苡谒痛碱惢衔?，在酸堿度不同的條件下，花青素的顏色會發生變化，在酸性條件下花青素呈紅色；在中性條件下花青素呈紫色；在堿性條件下花青素則呈藍色。因此，花青素促使植物的花朵或果實顏色鮮艷，提高植物的觀賞價值的同時又利于吸引昆蟲傳播花粉。

花青素不僅可以抵御某些昆蟲的生物因素侵害，也能防止有害光照、極端溫度、干旱以及某些金屬離子等對植物非生物因素的損害，增強植物的抗逆性，是植物的壓力調節器[1]。SIMONE等[2]研究發現，低溫脅迫下，花青素的積累增加，并且花青素含量升高將增強植物對低溫的抗性。在茄果類蔬菜中，花青素也有重要作用。如紫色番茄是富含花青素的雜交品種，與普通番茄相比有諸多優勢，其植株生長和果實的發育以及果實的品質均強于普通番茄[3]。我國比較稀有的紫色辣椒由于富含大量花青素，在野外紫色辣椒的抗逆性和抗病性比其他辣椒品種更強[4]。姚明華等[5]研究發現，不同品種茄子的顏色與耐冷性相關，顏色深的茄子比顏色淺的具有更強的耐冷性，表明花青素的含量是茄子果實呈色的主要依據，而且花青素含量越高，茄子的顏色越深，抗冷性越強。

2 茄果類花青素種類

花青素具有類黃酮特有的C6-C3-C6碳骨架結構，花青素多數以糖苷的形式形成花色苷存在于植物體內，極少數以游離形式存在，常與1個或多個葡萄糖、乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖等結合形成3-糖苷、3,5-二糖苷等。糖苷結構的穩定性取決于糖數量、取代的位置和?；饔玫萚6]，目前已發現20余種花青素，有研究證實其中在植物體內有6種最常見的花青素[7]，分別是天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛花色素和錦葵色素[8]，糖分子通過與這些花青素分子在不同位置上形成糖苷，還可以在糖分子上再發生脂肪酸化或芳香環酸酞基化形成各種各樣的花青苷。植物花朵和果實的顏色與花青素的種類也密切相關。

陳麗等[9]利用引進的番茄品種YS08-1選育含有花青素且品質高于普通番茄的紫色番茄硯紫1號。陳靜[10]利用液相色譜(HPLC)和電噴霧離子化質譜(LC/ESI-MS)研究表明，番茄幼苗真葉中的花青苷有3種成分，分別為3-葡糖蕓香糖-5-葡糖香豆酰矢車菊苷或3-葡糖香豆酰-5-葡糖蕓香糖矢車菊苷、3,5-二香豆酰二葡糖蕓香糖天竺葵苷、3-香豆酰蕓香糖-5-香豆酞木糖葡糖錦葵苷或3-香豆酞木糖葡糖-5-香豆酞蕓香糖錦葵苷。李紅艷[11]研究表明，傳統育種紫色番茄品種V118中含特有的3種花青素，分別為牽牛色素-3-O-咖啡?；?蘆丁糖苷-5-葡萄糖苷、牽牛色素-3-O-對香豆?；?蘆丁糖苷-5-O-葡萄糖苷和錦葵色素-3-O-對香豆酸-蘆丁糖苷-5-O-葡萄糖苷。

茄子中主要的花青素有飛燕草素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷，又名茄色甙(Nusunin)和飛燕草素-3-鼠李糖苷，又名山慈菇花苷(Tulipanin)，還有少數栽培種和某些野生種茄子的花青素是飛燕草素-3-葡萄糖苷和矮牽牛素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷[12]。在眾多蔬菜中，茄子中的花青素抗氧化性最佳。周寶利等[13]研究發現，7種不同品種的茄子花青素含量最高可達587.35 mg/g，并且富含花青素的紫色茄子是我國常見的種質資源。而在我國紫色辣椒和紫色番茄是比較稀缺的種質資源。滕有德等[14]1993年首次在川西南雅礱江、金沙江干熱河谷地區發現代表材料為川菜932456的紫色辣椒，并且其具有極強的耐熱性和耐旱性。富含花青素的黑紫番茄來自于德國、美國等歐美國家，主要在北京市、上海市、山東省青島市等城市的郊區種植，在我國其他地區尚未普遍種植。因此，對于茄果類蔬菜花青素的合成途徑等研究有重要意義[15]。

3 茄果類花青素調控基因

目前，對于植物花青素的合成途徑以及相關調控基因的研究有很多?；ㄇ嗨厣锖铣蛇^程中主要的調控基因有MYB、BHLH和WD40轉錄因子3類。XU等[16-17]研究表明，這3個轉錄因子可以形成復合體，促進或抑制結構基因的表達，在花青素的合成過程中起到調控的作用。

3.1 MYB轉錄因子

MYB轉錄因子普遍存在于真核生物中，PAZARES等[18]在玉米中克隆的ZmMY-BCI基因。RALF等[19]分析了擬南芥中的125個R2R3-MYB基因功能。MYB轉錄因子成員參與茄果類蔬菜的生長發育、次級代謝[20]、逆境脅迫應答[21]和激素信號轉導[22]等進程。根據MYB轉錄因子包含4個亞類R結構的數目和重復種類：只有1個R結構的MYB轉錄因子是一類重要的端粒結合蛋白，對維持染色體結構的完整性起到重要作用；有2個R結構的R2R3-MYB轉錄因子是MYB蛋白最大的亞族，也是植物中數量最多，最普遍的一類；有3個R結構的MYB轉錄因子，與動物和真菌中的R1R2R3-MYB蛋白高度同源，主要參與細胞周期的控制和調節細胞的分化；含有4個類似R1、R2結構域的重復的4RMYB蛋白只在極少數植物基因組中進行編碼[23]。

MYB轉錄因子在花青素的調控過程中主要起到促進或抑制作用。JIAN等[24]研究表明，SlMYB75是MYB型轉錄因子，可促進番茄花青素的積累。從過表達番茄中分離得到R2R3類型的MYB轉錄因子SIMYB113可提高番茄中花青素的含量，從而提高番茄的抗低溫能力[21]。R3-MYB轉錄因子SlMYB-ATV在番茄中通過抑制花青素合成過程中DFR基因表達降低花青素的合成[25]。SmCBF1、SmCBF2和SmCBF3通過與SmMYB113共同表達調節茄子中花色苷的生物合成[26]。SmMYB18是茄子花青素的正調控因子，SmMYB19是茄子花青素的負調控因子[27]。在茄子中SmMYB6可能通過調控SmDFR的表達從而在花青素合成的過程中起到重要作用[28]。ZHANG等[29]對參與花青素生物合成的基因在辣椒葉片中豐度檢測表明，大多數基因在花色苷著色系葉片Z1和非著色系葉片A3間存在差異。Z1辣椒葉片中R2R3-MYB轉錄因子CaMYB沉默導致花青素積累量下降。CaMYB轉錄子對辣椒花青素生物合成相關基因起到調控作用。CaMYB1和CaMYB2可以調節辣椒花青素的生物合成[30]。CaMYBA抑制辣椒果實中花青素合成[31]。

3.2 bHLH轉錄因子

堿性螺旋-環-螺旋(basic helix-loop-helix，bHLH)是植物中第二大轉錄因子家族[32]。bHLH轉錄因子在植物的生長發育[33]、抗病[34]和應激[35]等過程中起重要作用，在花青素等激素合成的過程中也發揮著重要作用。

bHLH是由堿性區域和螺旋-環-螺旋區域2個高度保守且功能不同結構域組成。堿性區域由15～20個氨基酸組成，位于bHLH結構域N端，作為DNA結合區域，可識別E-box和G-box。螺旋-環-螺旋區域位于bHLH結構域C端，依賴疏水氨基酸的相互作用，形成2個HLH蛋白的同源或異源二聚體調節基因的表達[36-37]。bHLH家族分為A、B、C、D、E和F 6類，而最早出現的bHLH序列可能來自于B類，并且B類bHLH蛋白在動物中最常見。

通常情況下bHLH和MYB形成復合物調節花青素的合成。TOMINAGA等[38]研究表明，在番茄的轉化過程中，bHLH轉錄因子GLABRA3(GL3)影響番茄花青素的合成，并且通過試驗發現，GL3轉化番茄中PAL、CHS、DFR和ANS的表達水平顯著高于對照植株，證明bHLH轉錄因子GLABRA3(GL3)促進番茄花青素的合成。TOMINAGA等[39]研究發現，bHLH轉錄因子SlGL3過表達抑制番茄花青素的積累。QIU等[40]研究發現，bHLH轉錄因子SLAN1的過表達可以增加番茄花青素含量。席浩淳等[41]研究發現，SmbHLH13可通過正向調控結構基因SmCHS和SmF3H的表達促進茄子花青素的生物合成。劉新宇等[42]研究發現，在茄子花青素的合成過程中2個bHLH轉錄因子SmGL3和SmTT8均起到調控作用。LIU等[43]研究發現，在辣椒和茄子中，PhAN1的同源基因CabHLH和SmbHLH的轉錄水平顯著高于無色素果實，證明CabHLH和SmbHLH參與了辣椒和茄子花青素的合成。路博雅[44]研究發現，CaMYB的過表達引起bHLH類轉錄因子MYC的表達，從而共同調節辣椒花青素的合成。TANG等[45]研究發現，CaANT1、CaANT2、CaAN1和CaTTG1可形成1個新的MMBW促進花青素的積累。

3.3 WD40轉錄因子

WD40蛋白在于真核生物中廣泛存在。VETTEN等[46]分離出第1個WD40蛋白PhAN11。WD40蛋白含有一段高度保守的特殊基因序列，這段基因序列由40個氨基酸殘基組成，一般由4～16個重復的WD基元串聯組成。在蛋白質中，WD結構域折疊成β-螺旋槳結構，為其他蛋白質相互作用和組裝成1個信號體提供平臺，使其在轉錄調控、信號轉導和免疫應答等多種功能中發揮重要作用[47]。

WD40轉錄因子在茄果類蔬菜的花青素合成過程中通常不單獨調控花青素的合成，而是作為一個穩定的平臺與其他轉錄因子形成含有MYB、bHLH、WD40重復因子的MBW復合物在茄果類蔬菜的花青素合成過程中發揮重要作用[48]。劉新宇等[42]研究發現，含有蛋白質TTG1的WD重復序列充當穩定平臺，與MYB和GL3形成三元復合體相互作用。三元復合物與啟動子結合產生花青素等次級代謝產物的基因。GAO等[49]研究發現，WD40轉錄因子家族的SlAN11可有效促進番茄花青素和種子原花青素的含量。張彥杰[50]研究發現，Sl AN2和Sl MYBL2在強光下可以共同調控番茄花青素的合成。張琳等[51]研究表明，WD40轉錄因子基因SmTTG1和bHLH轉錄因子基因SmGL3和SmTT8相互作用并且形成復合體共同調控茄子花青素的合成。雖對于WD40轉錄因子在茄果類蔬菜花青素中作用研究較少，但WD40轉錄因子在MBW復合體有重要作用。THéVENIN等[52]研究表明，WD40在MBW復合體的活性上發揮著重要的作用。

4 茄果類蔬菜花青素穩定性的影響因素

4.1 溫度

溫度影響花青素的穩定性和花青素的合成過程?；ㄇ嗨卦?0℃和50℃時都有花青素降解，但降解量低，在70℃和80℃時降解量開始大幅增加。表明，高溫會促進花青素的降解，并且溫度、加熱時間與花青素降解的速度呈正相關[53]。在高溫條件下植物花青素苷合成激活物和阻遏物的表達受到影響，從而降低植物中花青素的積累[54-56]。茄子花青素的最佳提取溫度為40℃[57]，紫色辣椒的最佳提取溫度為30℃[58]。在30～40℃時花青素的穩定性最高，最適合對茄果類花青素進行提取和加工。

4.2 pH

pH是影響花青素穩定性的重要因素，花青素的顏色隨pH發生變化。當花青素的pH小于2時，溶液顯紫紅色，花青素主要以黃鹽陽離子形式存在；當pH在2～4時，花青素失去C環氧上的陽離子變成藍色醌型堿；當pH升高至5～6時，溶液逐漸變為無色，主要以假堿或查耳酮的形式存在，當pH在2～6時物質間變化可逆；當pH高于7時，花青素則被降解，并且此時物質的變化不可逆[54]。張艷暉[59]研究表明，pH對番茄花青素浸提液影響較大，當pH由1升至3時，花青素的相對含量逐漸升高并到達最高點；pH由3升至5時，有略微下降；當pH高于5時，花青素相對含量下降；尤其當pH高于11時，花青素的相對含量大幅下降。周寶利等[13]研究發現，pH對茄子花青素有顯著影響，pH在1～4時茄子花青素的吸光度提高，pH在4～10時花青素的吸光度基本不變，pH大于10后花青素的吸光度開始明顯降低，當pH達12后，花青素的吸光值開始大幅下降。說明，茄子花青素在pH 4～10時較穩定。隋益虎等[60]研究表明，在提取紫色辣椒中的花青素時，花青素的顏色隨著pH變化而變化，當pH從1升至14的過程中花青素的顏色由深紫變成微肉紅，之后變成白色渾濁、微綠、黃綠、黃色等顏色，可見，當pH較低時辣椒花青素含量最高。證明，在pH較低時，有利于茄果類花青素的保存，并且穩定性更好。而高pH破壞茄果類花青素的穩定性，使茄果類花青素降解。

4.3 光照

光照對花青素的影響要大于溫度，強光照導致花青素氧化，從而使含量下降。張艷暉等[55]研究發現，在避光條件下，紫色番茄花青素的質量略微下降，降解率為3.7%，在強光照射下花青素的質量分數由0.402 FW/g降至0.321 FW/g，降解率為20.1%?？梢姡庹諏ψ仙鸦ㄇ嗨赜酗@著影響。分別以避光、室內自然光和室外自然光為單一變量下，保存紫茄皮花青素發現，避光下對紫茄皮的保存率影響較小，而室內自然光和室外自然光都對紫茄皮花青素的影響較大，說明光照影響茄子中花青素的穩定性，使茄子花青素的保存率下降[61]。避光條件下，紫色辣椒的花色苷降解速度緩慢，室內日光燈和室外自然光的照射，使花色苷迅速降解，并且紫色辣椒花色苷溶液會逐漸變為無色。說明，光照使紫色辣椒中的花青素降解[62]。

4.4 金屬離子

Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+對黑果枸杞花青素顏色穩定性無顯著影響；Cu2+對花青素溶液有明顯退色作用；Al3+使花青素溶液明顯增色；Fe2+使花青素溶液產生紫黑色沉淀；Fe3+破壞花青素類物質。在花青素的提取和應用時，應盡量避免接觸銅、鋁、鐵的金屬制品[63]。Fe2+、Fe3+、Cu2+對紫番茄中花青素的穩定性均有影響，因此紫色番茄在花青素的提取和保存過程中應盡量避免鐵、銅制品[64]。Mg2+對茄子花青素起到護色增色的作用，Ca2+、Na+、Al3+對茄子花青素的穩定性影響較小，Zn2+和Cu2+的質量濃度增大使花青素溶液的吸光度明顯降低[65]。Mg2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Al3+對紫色辣椒花青素基本無影響，Fe3+則對紫色辣椒花青素影響較大，使花青素溶液的吸光度降低至原溶液的45%[61]。

茄果類蔬菜的花青素合成是一個復雜且保守的過程，轉錄因子之間的相互作用對于茄果類蔬菜的花青素合成尤為重要。因此，通過開展茄果類蔬菜花青素結構、調控因子、影響因子等相關研究，對培育高花青素茄果類蔬菜，提高茄果類蔬菜的營養品質具有重要的指導意義。