植物中甜菜色素的研究進展

黃 晨 ,張 威 ,任紅旭

(1 中國科學院 西北生態環境資源研究院,沙漠與沙漠化重點實驗室,蘭州 730000;2 中國科學院 植物研究所,北方資源植物重點實驗室,北京 100093;3 中國科學院大學 資源與環境學院,北京 100049;4 國家植物園,北京 100093;5 中國科學院大學 現代農業科學學院,北京 100049)

甜菜色素、花青素、葉綠素和類胡蘿卜素并稱為四大類天然植物色素。相較于其他三類分布廣泛且較為常見的色素,甜菜色素在自然界中分布范圍狹窄,僅存在于石竹目(Caryophyllales)[石竹科(Caryophyllaceae)和粟米草科(Molluginaceae)除外]中。常見的積累甜菜色素的植物主要有藜科堿蓬屬鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、莧科莧菜屬雁來紅(Amaranthus mangostanus)、仙人掌科火龍果(Hylocereusundatus)、商陸科美洲商陸(Phytolaccaamericana)等[1]。除被子植物外,在真菌譜系中的擔子菌門和細菌譜系中的某些重氮營養型葡萄糖酸菌中也存在甜菜色素[2]。

甜菜色素因最早在甜菜(Betavulgaris)根中發現而得名,是一種具有生物活性的水溶性含氮色素,在酸性條件下較為穩定,堿性和高溫環境下不穩定,耐氧化和還原能力差。甜菜色素的穩定性受酸堿度、光、熱、氧化劑、酶和金屬離子等多種因素的影響[3]。甜菜色素主要分為以糖苷化為輔基類型的甜菜紅素和以氨基酸為輔基類型的甜菜黃素[4]。甜菜紅素的吸收光譜為532～550 nm,甜菜黃素的吸收光譜為457～485 nm,甜菜醛氨酸作為最重要的中間產物,參與這2種色素的生物合成。截至2021年,已從17科植物中鑒定出50多種甜菜紅素和31種甜菜黃素[5]。

由于甜菜色素生物合成途徑獨特,且與花青素互斥,因此甜菜色素作為一種重要的化學分類指標,在植物進化和分類研究中極具科學價值,已逐漸成為新的研究熱點,且近年來已取得多項重要研究進展[6-9]。鑒于國內學者對甜菜色素的理化性質、生物合成、生物學功能及利用等方面已進行了詳細的綜述[4,10-11],而對甜菜色素和花青素的關系以及光照對甜菜色素生物合成影響的分析還較少,因此,本文擬從甜菜色素的生物合成及轉錄調控出發,重點闡述光對甜菜色素生物合成的影響以及甜菜色素和花青素的關系,并對國內外的最新研究進展進行綜述和展望,以期為更好地研究和開發利用甜菜色素提供思路。

1 甜菜色素的生物合成及調控

1.1 甜菜色素的生物合成途徑

植物體內游離酪氨酸是甜菜色素的合成前體。在酪氨酸酶羥化活性的作用下,酪氨酸首先被轉化為L-多巴,之后4,5-多巴雙加氧酶催化L-多巴氧化裂解形成4,5-開環多巴,4,5-開環多巴經過自發的分子內縮合反應生成關鍵的中間產物——甜菜醛氨酸[12]。同時,L-多巴在酪氨酸酶氧化活性的作用下被氧化為多巴醌,多巴醌環化形成閉環多巴,L-多巴也可在細胞色素P450 基因CYP76AD1的催化下直接產生閉環多巴。閉環多巴與甜菜醛氨酸結合最終形成甜菜紅素,甜菜醛氨酸也可與氨基酸或胺結合生成甜菜黃素[13](圖1)。

圖1 甜菜色素生物合成途徑[14]Fig.1 The betalain biosynthetic pathway[14]

由于在甜菜色素植物中CYP76AD1催化L-多巴所形成的閉環多巴比氨基酸更易與甜菜醛氨酸結合,因此在甜菜色素植物中存在的主要是甜菜紅素而非甜菜黃素[10]。

1.1.1酪氨酸羥基化和L-多巴氧化

酪氨酸羥基化形成L-多巴是甜菜色素生物合成的第一步,之后L-多巴轉化為環多巴,這兩步反應通常被認為是由酪氨酸酶催化的。酪氨酸酶是一種具有單酚和雙酚雙重氧化活性的酶,可催化單酚羥基化為二酚,再將二酚氧化成醌,在大花馬齒莧(Portulacagrandiflora)、甜菜和鹽地堿蓬等植物中都已檢測出酪氨酸酶的活性。然而,對于酪氨酸酶在甜菜色素合成中的作用近年來也頗有爭議:首先,酪氨酸酶參與甜菜色素的生物合成尚未在基因水平上得到證實;其次,細胞內酪氨酸酶的定位和甜菜色素的合成位置不同,酪氨酸酶通常定位于質體中,而甜菜色素的合成則是在細胞質中;此外,紅甜菜中細胞色素P450 酶基因CYP76AD1的發現則讓酪氨酸酶的作用更加充滿爭議。研究證明,在甜菜色素合成過程中,CYP76AD1不僅是L-多巴轉化為環多巴所必需的,而且也催化著酪氨酸羥基化形成L-多巴的反應。在添加酪氨酸的酵母細胞培養液中單獨表達重組CYP76AD1會造成L-多巴的積累,其積累水平約為單獨表達重組AbPPO2的20倍[15],當與紫茉莉DODA(MjDODA)共表達時,能夠產生甜菜紅素。另外,在對不同顏色的莧菜(AmaranthustricolorL.)品種進行比較轉錄組分析時也發現,莧菜AmCYP76AD1的高表達是影響甜菜色素積累的關鍵因素[16];因此,酪氨酸酶在甜菜色素生物合成途徑中的作用還有待于進一步研究。

1.1.2甜菜醛氨酸形成

甜菜醛氨酸是所有甜菜色素的基本生色團,由4,5-開環多巴經過自發的分子內縮合反應生成。4,5-多巴雙加氧酶(4,5-DOPA dioxygenase,DODA)是一種含鐵蛋白質,催化L-多巴形成中間體4,5-開環多巴,該反應是最終形成甜菜醛氨酸的關鍵步驟。編碼4,5-多巴雙加氧酶的基因最初從毒蠅傘(Amanitamuscaria)的cDNA 文庫中克隆得到,在大花馬齒莧中首先被鑒定,之后在紫茉莉(Mirabilisjalapa)、仙人掌(Opuntiadillenii)和鹽地堿蓬中也陸續得以鑒定。Sasaki等[17]在大腸桿菌中成功表達了來源于紫茉莉的4,5-多巴雙加氧酶MjDODA基因,證實該酶在體外也具有生物活性,從而實現甜菜醛氨酸的體外合成。而一些來源于非甜菜色素植物的4,5-多巴雙加氧酶盡管在體外也表現出了活性,卻無法合成甜菜色素,究其原因可能是這些植物體中缺乏L-多巴的存在。

1.1.3甜菜色素生物合成途徑中的糖基化和酰基化

甜菜紅素的合成過程較甜菜黃素復雜,需要經過糖基化和酰基化過程。甜菜紅素的糖基化主要有2種方式:(1)酪氨酸通過多巴黃質、多巴黃質醌等中間產物生成甜菜紅苷元,之后在葡糖基轉移酶的作用下在甜菜紅苷元的C-5 或者C-6 位上連接糖基,形成甜菜紅苷或千日紅苷等甜菜紅素;(2)閉環多巴先進行糖基化形成閉環多巴苷,閉環多巴苷再與甜菜醛氨酸縮合生成甜菜紅素[18]。目前尚不清楚上述哪條途徑在石竹目植物中更為普遍,以及這2種方式在同一物種中是如何共存的。糖基轉移酶(GTs)是一類催化特定糖基和受體之間形成特定糖苷鍵的多成員轉移酶家族[19],在番杏科植物彩虹菊(Dorotheanthusbellidiformis)中首先克隆出了5-O-葡糖基轉移酶基因,隨后又克隆到6-O-葡糖基轉移酶基因,其序列與5-O-葡糖基轉移酶基因完全不同,而與花青素葡糖基轉移酶基因的序列則非常相似,這進一步說明二者在糖基化過程中各自獨立發揮作用。甜菜紅素的結構復雜性除了來源于糖基化反應外,還與合成過程中的多種酰基化反應有關。目前已在石竹目至少4個科中發現酰基化的甜菜色素,所連接的取代基包括水楊基、丙二酰基、3-羥基-3-甲基戊二酰基和最常見的羥基肉桂酰基等。

1.2 甜菜色素生物合成途徑的轉錄調控

早在2009 年,Takahashi等[20]便在美洲商陸(P.americana)DODA基因的啟動子區域發現多個MYB、bHLH 以及逆境響應轉錄因子的結合位點。之后,通過與花青素MYB 轉錄因子進行同源性分析,在甜菜(糖用甜菜)中也推定出2個與甜菜色素合成調控相關的R2R3 型MYB 轉錄因子,分別定位于2號染色體的R位點附近[21]。與此同時,Hatlestad等[6]也報道了甜菜中位于2號染色體Y位點的MYB轉錄因子BvMYB1,并證實BvMYB1是甜菜中甜菜色素生物合成的正調控因子,它通過直接結合甜菜中的細胞色素P450 基因BvCYP76AD1和4,5-多巴雙加氧酶基因BvDODA1各自的啟動子區域而將其激活。進一步研究發現BvMYB1和花青素相關MYBs具有高度的序列相似性,二者的時空表達模式也極為相似,這些都意味著BvMYB1極有可能是從古老的調控花青素合成的MYB轉錄因子進化而來。除BvMYB1外,在莧菜中也克隆到與甜菜色素生物合成相關的R2R3型MYB轉錄因子基因AmMYB1[8]。最近,在火龍果中也發現了一類屬于1R-MYB 亞家族的R-R 型轉錄因子HuMYB132,它通過調控HuCYP76AD1-1和HuDODA1基因的表達,正向調控火龍果中甜菜色素的合成[22]。有趣的是,甜菜色素MYB對色素的作用方式與花青素MYB不同,花青素R2R3-MYB在R3結構域內含有1個與bHLH 蛋白互作的(D/E)Lx2(R/K)x3Lx6Lx3R 基序,通過與bHLH、WD40互作共同調控花青素的合成[6],而BvMYB1、Am-MYB1由于bHLH 基序中的結合位點發生突變,從而不能與MYB-bHLH-WD 復合體中的異源bHLH互作,進而阻礙了花青素的正常合成,以致無法合成花青素。近來,在火龍果中發現,轉錄因子HubHLH159可能參與調控甜菜色素的生物合成,它能夠通過激活HuADH1,HuCYP76AD1-1和HuDODA1基因的表達而促進甜菜色素的合成,這一發現為進一步分析HubHLH基因家族的功能提供了重要依據。然而HubHLH159在甜菜色素生物合成中的調控機制以及與其他轉錄因子之間的互作關系尚有待于進一步研究[23]。此外,在火龍果中還發現了1種新的WRKY 轉錄因子HmoWRKY40,在火龍果著色過程中HmoWRKY40的表達水平和甜菜色素含量均迅速上升。HmoWRKY40能夠結合并激活HmoCYP76AD1的啟動子,參與火龍果中甜菜色素的生物合成[24]。

除上述提到的甜菜色素合成相關轉錄因子之外,研究顯示可能還有更多的表觀遺傳因子也參與了甜菜色素的合成調控。例如,在紫茉莉的研究中發現其紅黃雜色品種的花色是由轉座因子dTmj1的活性決定的。轉座因子dTmj位于紫茉莉花瓣中細胞色素P450基因CYP76AD3的內含子中,形成的CYP76AD3:dTmj1是一種可變基因,該基因在dTmj1切除和轉座后能夠恢復功能,從而導致花瓣的黃色背景上形成紅色斑點[25],該研究說明某些轉座子可能也對甜菜色素的合成起到調控作用。

1.3 甜菜色素的分解代謝

對于參與甜菜色素分解代謝的基因迄今所知甚少。已知光、氧氣、pH 和高溫等各種非酶促因子均可促進甜菜色素降解,甜菜紅素比甜菜黃素更容易被過氧化物酶降解,而甜菜黃素更易于被過氧化氫氧化[13]。研究發現,過氧化物酶、葡萄糖苷裂解酶和多酚過氧化物酶可通過協同作用使甜菜色素降解[14]。

2 光照對甜菜色素生物合成的影響

光作為重要的環境信號之一,能夠觸發植物色素合成等生理過程。對于光照影響甜菜色素合成代謝的機制目前還所知甚少。由于甜菜色素和花青素在植物體內的功能及分布具有一定相似性,因此認為二者對于光以及其他環境信號的響應機制是保守進化的。鑒于2種色素合成過程中某些調控成分具有明顯差別,因此進一步研究光照以及光照與關鍵內源和外源因子(如激素和溫度)相互作用對甜菜色素合成的影響是非常有必要的,這將為深入解析光照調控甜菜色素生物合成的分子機制奠定基礎[26]。

2.1 光質和光強對甜菜色素生物合成的影響

2.1.1光強

在籽粒莧(Amaranthussp.)幼苗中首次證明了甜菜色素濃度受光信號的調控[27]。盡管目前普遍認為光照對于植物中甜菜色素的積累具有正調控作用,但是其在甜菜色素合成中的必要性仍存在爭議。Wohlpart和Mabry[28]比較了幾種不同植物2～3周幼苗在白光和黑暗條件下甜菜色素的積累情況,認為光并不是甜菜色素合成的必要條件;Wang等[29]在鹽地堿蓬幼苗中也發現,萌發期保持黑暗對于甜菜色素的積累至關重要,而光照促進甜菜色素降解,且這種響應與光照下酪氨酸酶的降解和失活有關。然而,對鹽地堿蓬愈傷組織的研究則顯示了不同結果:白光或光合有效光譜中不同波長的光均可顯著誘導甜菜紅素的積累,這種效應與4,5-多巴雙加氧酶mRNA 水平的上升以及酪氨酸酶羥化、氧化活性的增加[30]相一致。此外,暗處理導致甜菜和大花馬齒莧愈傷組織中甜菜紅素降解[31],卻有利于紅葉藜(Oxybasisrubra)愈傷培養物中甜菜紅素的積累[32]。綜上所述,甜菜色素合成對于光的需求可能因植物組織和物種不同而有所不同。

2.1.2光質

研究表明,光對甜菜色素的誘導作用也受光質和物種差異的影響,不同植物中不同光質對甜菜色素的合成影響不同。用紅光照射紅心火龍果(Hylocereuscostaricensis)時發現,紅光能夠顯著提高其愈傷組織中甜菜紅素和甜菜黃素的含量[33];對莧菜的研究表明,黑暗不利于莧菜萌發期甜菜色素的合成,白光對于甜菜色素的合成和積累效果最佳,藍光次之[34];王曉[35]用藍光和藍紅復合光處理莧菜幼苗,發現莧菜幼苗中甜菜紅素和甜菜黃素的含量均隨藍光光強的增加而增加,且藍紅復合光中高比例的藍光更容易誘導甜菜紅素合成;馬冰雪等[36]用紅光、綠光和藍光分別照射甜菜幼苗,結果表明藍光有利于甜菜色素積累,綠光下甜菜色素含量明顯下降,紅光下甜菜紅素含量降至各處理最低,這一研究說明短波長光質更易誘導產生甜菜紅素,張媛媛等[37]用藍光處理莧菜愈傷組織也得到了相同結果。然而,在鹽地堿蓬幼苗中則有不同報道:黑暗處理顯著促進了鹽地堿蓬幼苗子葉中甜菜紅素的積累,而藍光照射強烈降低了黑暗中所積累的甜菜色素含量[38]。進一步的研究顯示,藍光下鹽地堿蓬中甜菜紅素含量下降是由酪氨酸酶失活造成的,而酪氨酸酶的失活與藍光受體CRY2蛋白的降解有關。

UV 輻射也被證明對甜菜色素的合成具有促進作用。對灰藜(ChenopodiumalbumL.)細胞培養物分別進行UV、藍光、白光、紅光和黑暗處理,其中僅UV 和包含UV 光質的藍光和白光能夠誘導甜菜紅素的形成,而不具有UV 特性的光照則不能誘導甜菜紅素形成;將灰菜細胞培養物在UV 照射下形成的紅色細胞團轉移到紅光和黑暗環境下,細胞中所積累的甜菜紅素發生降解[39];過濾去除UV-B后,尾穗莧(Amaranthuscaudatus)幼苗中甜菜紅素的合成受到抑制[40];單獨用UV-A 照射可以誘導冰葉日中花(MesembryanthemumcrystallinumL.)葉片囊泡中積累甜菜紅素,表明甜菜紅素可能作為紫外線過濾器以保護植物免受紫外線的傷害[41]。

2.2 光和植物激素在甜菜色素合成中的相互作用

研究表明,光和植物激素可以相互作用影響甜菜色素的合成。如在酪氨酸存在的情況下對黑暗中生長的雁來紅幼苗施以激動素,能夠模擬白光處理所達到的效果,提高植物中甜菜紅素的含量[42];生長在蒸餾水中的尾穗莧幼苗,無論是在黑暗還是光照下都只能合成莧菜紅素,而當激動素和白光兩者同時具備時,甜菜紅素也能被誘導出來,再添加多巴底物又能進一步誘導出甜菜黃素[43],說明光和激動素可以共同作為甜菜紅素和甜菜黃素合成的正調控因子;黑暗下對鹽地堿蓬愈傷組織和莧菜幼苗施以6-BA 也能顯著提高甜菜紅素含量,且甜菜紅素含量與4,5-多巴雙加氧酶基因DODAmRNA 的表達水平呈正相關[44]。

UV-B也能夠和激素共同作用調控甜菜色素的合成。研究表明,高強度UV-B 輻射能刺激植物合成乙烯,而用乙烯利處理紅甜菜植株可使其甜菜色素含量增加,且與BvMYB1、BvCYP76AD1、BvCYP76AD5、BvCYP76AD6、BvDODA1等基因表達水平的上升相一致。在該試驗系統中,對紅甜菜葉面噴施乙烯利并在收獲后短時照射UV-B可以提高甜菜中甜菜紅素與仙人掌黃素的比值[45]。SA 和JA 這2種植物激素也受UV-B誘導,并且對甜菜色素的合成具有促進作用[46]。然而,盡管以上結果說明UV-B促進甜菜色素的合成可能是通過激素調節的,但相關證據還不夠充分,因而通過更加有效的實驗方法以證明UV-B、激素和甜菜色素合成之間的直接聯系是非常有必要的。

2.3 光和溫度在甜菜色素合成中的相互作用

光照和溫度在甜菜色素的合成中也具有交互作用。Elliott的研究[47]顯示,在給予一定時間的紅光照射之前,先在40 ℃高溫下對莧菜幼苗進行預處理,可使其積累較多甜菜紅素,而在40 ℃處理之前用紅光照射則不具有這種效果。將莧菜幼苗置于40 ℃下2 h后,轉移到25 ℃下培養1 h,之后給予紅光照射,此時甜菜紅素的積累量達到最大。如果從25 ℃再次轉回40 ℃,甜菜色素的合成則受到抑制。對此,推測認為當溫度升高到40 ℃時,一些能夠使光敏色素充分表達的必需活性成分會被誘導形成,為了使這些活性成分最大程度合成或發揮活性,在照射紅光之前,幼苗需先在較低溫度下保持1～2 h。由此可見,光照對甜菜色素的誘導作用也依賴于溫度的變化。此外,在擬南芥(Arabidopsisthaliana)中已經證明,光敏色素phyB以溫度依賴的方式與調控花青素合成的關鍵靶基因的啟動子直接結合。暖溫有利于黑暗條件下植物體內光敏色素活性形式(Pfr)向非活性形式(Pr)轉換,并抑制特異性光敏色素相互作用因子(PIF)的降解,從而使下游靶基因得以表達[48]。

關于UV-B、溫度和甜菜色素合成之間的直接聯系目前鮮見報道,但在花青素植物中已經證明UV-B和溫度協同作用,共同影響花青素的生物合成。UVR8是植物感知UV-B 輻射的特異性受體,UV-B輻射下,UVR8構象發生變化,從二聚體轉化為單體,進而能夠與E3-泛素連接酶COP1互作,阻止花青素合成的正調控轉錄因子HY5被泛素化降解[49]。Kim 等[50]研究發現高溫能夠促進HY5 降解繼而抑制花青素合成。此外,擬南芥中UVR8二聚體/單體比例的動態變化受UV-B 和溫度的共同調控,低溫下UVR8再二聚體化的速率會降低[51];在葡萄(Vitisvinifera)等其他花青素植物中也發現UVR8的表達受環境溫度的影響[52]。基于以上在花青素植物中的研究結果,筆者推測在甜菜色素的生物合成中,光和溫度也具有類似的協同調控作用,對此需通過更進一步深入研究來加以確認。

2.4 光照調控甜菜色素生物合成的可能機制

盡管對甜菜色素生物合成途徑上游的調控事件目前還所知甚少,但在甜菜色素植物中發現的與花青素途徑共有的MYB 轉錄因子,意味著這2種色素合成的調控機制可能是保守進化的。因此,已經闡明的花青素合成代謝機制可以為甜菜色素代謝調控研究提供重要借鑒。如前所述,UV-B 通過不同機制調控植物合成光保護色素,其中HY5 等多個轉錄調控因子發揮了重要作用。除了E3-泛素連接酶COP1之外,HY5的表達水平還受到其他光響應因子的調節,例如特異性光敏色素相互作用因子PIFs 1 和PIFs 3,以 及B-Box 蛋 白(BBXs)[53]等。其間,HY5是眾多光信號轉導通路的交匯點,調控著植物光信號響應基因的表達。

對擬南芥的研究表明,除了HY5 之外,MYB轉錄因子家族的其他成員也參與調控擬南芥中的色素合成。擬南芥中的MYB 轉錄因子AtMYB4 可以抑制具有光保護作用的苯丙素類色素的合成[54],過表達該轉錄因子可以抑制查爾酮合成酶基因的表達,表明AtMYB4 參與了花青素的合成調控。此外,光通過激活HY5來阻止轉錄抑制因子AtMYB2的表達,從而促進了花青素的合成。同時,光還誘導了miR858a的表達,miR858a能夠依賴于HY5 的存在而在翻譯水平上對MYB2進行抑制[55]。序列對比分析結果表明,這些轉錄因子的同源基因在石竹目植物中是保守進化的。對藜麥DODA和CYP76AD1的啟動子進行分析,發現在藜麥中存在擬南芥中MYB4 和HY5 的結合位點[56]。最近在莧菜[7]和火龍果[57]中也證實有miR858a的表達,進一步證明miR858a可能參與調控甜菜色素合成。利用生物信息學技術對miRNA 目標序列進行預測,發現其目標序列也保守存在于甜菜色素類植物(如甜菜、藜麥、菠菜等)的MYB4mRNA 阻遏蛋白的編碼區中。

如2.2節所述,細胞分裂素和光相互作用調控甜菜色素的合成,然而其中的分子機制尚不清楚,相關研究還鮮見報道。在擬南芥中,細胞分裂素受體AHK2、3和4以及B型反應調節因子ARR1、10和12以冗余方式參與光誘導的花青素合成[58]。其中,細胞分裂素的作用部分依賴于光敏色素和隱花色素下游組分HY5,主要依賴于光合電子傳遞產生的信號,且進一步發現細胞分裂素有助于抑制轉錄因子MYB2 的表達。以往的研究表明,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)依賴的非α-磷脂酶D(phospholipase D,PLD)的激活是細胞分裂素信號轉導途徑的早期事件之一。PLD 是一種磷酸二酯酶,可水解磷脂產生磷脂酸(phospatidic acid,PA),PA 可作為多種環境和內源性信號通路的第二信使[59]。盡管PA 的互作元件和作用模式尚不明確,但通過激活PLD 而使PA 水平發生改變可能介導著細胞分裂素誘導的甜菜色素合成。因此,在未來的研究中,通過對DODA和CYP76AD1等基因以及關鍵轉錄調控因子MYB1進行序列分析推測PA 可能存在的結合位點,進而闡明PA 在甜菜色素合成調控中的作用,將會是一個有趣的研究方向。

綜上所述,目前對于光調控甜菜色素生物合成的分子機制還所知甚少,對于相關機制的推定大多來源于花青素植物的研究。然而,光信號生理和轉錄調控機制的闡明、甜菜色素生物合成關鍵基因的鑒定以及石竹目代表性物種中的生物信息學分析,這些研究工作都已提供了非常有力的支持和證據,有助于在不遠的未來深入解析光信號調控甜菜色素生物合成的分子機制。

3 甜菜色素在植物中的作用

3.1 甜菜色素與花青素的關系

花青素和甜菜色素互斥,迄今尚未在自然界的任何一種植物中發現二者同時存在。然而合成花青素的前體物質之一——對香豆酰CoA,是由苯丙氨酸在苯丙氨酸裂解酶(PAL)的作用下生成的,而合成甜菜色素的前體物質酪氨酸,則是苯丙氨酸4位被羥基取代后生成的產物,因此兩者合成的前體物質存在同源性[60]。系統發育分析顯示,甜菜色素是石竹目早期進化過程中的單一起源色素,而后逐漸消失在合成花青素的譜系中。對于這兩類色素互斥的原因已經從遺傳和進化的角度進行了諸多討論[61-62],一般認為,甜菜色素和花青素最初是擁有共同祖先可以共存的,但經過漫長的進化之后,其中一類色素成為冗余色素導致其功能被選擇性丟失。同時,物種間的競爭、合作和共生作為進化的驅動力、動物對顏色感知的差異等可能造成植物在特定條件下選擇合成甜菜紅素。此外,在細胞代謝過程中這兩類色素氧化還原能力的差異也使甜菜色素比花青素更具優勢[63]。因此,從進化的角度來說,一些植物可能更傾向于合成甜菜色素而非花青素。

對于甜菜色素和花青素互斥機制研究已經取得了一定進展。Shimada等[64]在菠菜和美洲商陸(甜菜色素植物)中鑒定到花青素合成所必需的二氫黃酮醇-4-還原酶(DFR)基因和花青素合成酶(ANS)基因,值得一提的是,這兩類基因都僅在種子發育過程中的種皮中表達,且都僅用于維持種皮中原花青素的合成,其順式調節元件的修飾作用可能抑制DFR和ANS基因在其他組織和器官中的表達,從而阻斷二氫黃酮醇到花青素生物合成的中間步驟[65]。為了研究三角梅(Bougainvillea)不同苞片顏色形成的潛在機制,Lan等[66]分析了參與甜菜色素和花青素生物合成的全部基因,發現ANS和DFR在所有品種中表達水平均極低是限制花青素合成的主要原因,從而進一步佐證了上述結論。同時,Sakuta等[67]的研究顯示,擬南芥MYB 轉錄因子PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT1(PAP1)能夠激活來源于菠菜的SoANS啟動子,在仙人掌中過表達PAP1和PhAN9(區隔化花青素所需的谷胱甘肽S-轉移酶)能夠造成花青素積累,而來自石竹目植物中的同源PAP卻不能激活ANS啟動子以誘導花青素合成。通過對石竹目植物PAP的R2R3-MYB結構域進行定點突變研究,進一步鑒定出了抑制PAP轉錄激活的氨基酸殘基,替換該氨基酸殘基后石竹目植物PAP 的轉錄激活能力得以恢復。因此,MYB 轉錄因子功能的缺失可能是花青素合成后期相關基因表達受到抑制的重要原因,從而導致石竹目植物中無法合成花青素。

雖然自然條件下花青素與甜菜色素在同一植物中不能共存,但隨著合成生物學技術發展,在花青素類植物中引入甜菜色素合成途徑,已能夠實現2種色素同時合成。例如,將甜菜來源的BvCYP76AD1和BvDODA基因,以及紫茉莉來源的葡糖基轉移酶基因MjcDOPA5GT在模式植物煙草和經濟作物茄子(SolanummelongenaL.)、番茄(Solanum lycopersicumL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)中表達,能夠增加其愈傷組織中甜菜紅素的含量[68];在煙草中同時表達甜菜來源的BvCYP76AD1、BvDODA、MjcDOPA5GT和BvCYP76AD6基因,轉基因煙草中甜菜紅素和甜菜黃素均有合成,且對灰霉菌的抗性也顯著提高[69];He等[70]將甜菜色素合成相關基因CYP76AD1、DODA和GT偶聯到1個開放閱讀框“RUBY”中,成功在煙草(Nicotiana tabacumL.)、擬南芥和水稻(OryzasativaL.)中合成了甜菜色素;Sho 等[71]利用農桿菌侵染法將BpCYP76AD1、BpDODA1和MjcDOPA5GT等基因過表達在煙草中,5 d后發現侵染部位出現暗紅色沉淀,并且在520～534 nm 處具有吸收峰,證明甜菜紅素的合成。在花青素植物中合成甜菜色素不僅有利于增強花青素植物的抗逆性,而且也能夠賦予其更高的營養價值。此外,甜菜色素和花青素的共同出現也為在同一植物中同時研究甜菜色素和花青素的生理功能提供了可能性。

3.2 甜菜色素的生物學功能

甜菜色素可使植物各個部位呈現出不同色彩以吸引昆蟲授粉,不同的果實顏色也將吸引鳥類和動物前來取食,從而使得種子被帶往各處,促進了植物的傳播和繁殖。富含甜菜色素的植物通常具有極強的抗旱和耐鹽性,生命力頑強,能夠適應惡劣的環境。例如,鹽地堿蓬可在3%的高鹽環境下完成其生活史[72],其中甜菜色素具有非常重要的作用:甜菜紅素可以參與滲透調節過程以維持植物體內正常的生理活動,甜菜黃素也可以間接參與滲透調節過程,通過其合成降解來調控植物體內氨基酸的濃度以維持水分平衡;甜菜紅素還可以作為非酶促抗氧化劑,在逆境條件下清除過量活性氧,以保證植物體內細胞代謝過程的正常進行[14];在強紫外線照射下,甜菜色素還可作為“光線過濾器”,對植物起到保護作用;此外,甜菜色素作為植物體內保護性反應中的次生代謝產物,對于增強植物的抗病能力亦有一定作用。

4 甜菜色素的應用

4.1 甜菜色素的經濟價值

甜菜色素作為一種天然色素,在食品、飲料、化妝品和醫藥等領域都有著廣泛的應用,其中最主要的用途是作為食品的天然著色劑。甜菜作為甜菜色素的主要來源,甜菜根的濃縮汁可作為食品添加劑,紅甜菜提取物是目前甜菜色素作為食品著色劑的唯一商用來源[73]。國外對于食用甜菜色素的利用已非常普遍,而中國對于甜菜色素的研究尚處于初級階段。雖然民間已有用紅甜菜汁給食品著色的記錄,但在食品染色市場甜菜色素的應用并不廣泛,合成色素仍處于優勢地位,因此,對于天然甜菜色素的研究還有待突破。

近幾年的研究表明,除了作為優良的食品添加劑和著色劑,甜菜色素在其他領域也發揮著出色作用:例如在棉花中表達甜菜色素合成的關鍵酶基因,在不影響棉花纖維產量和質量的情況下能夠生產出天然粉紅色棉花,從而取代對自然環境和人體健康均具有損害作用的合成染料類彩色棉纖維[74];研究表明,添加從甜菜根中提取的甜菜色素到含強酸的鋁制品中,鋁的腐蝕性降低了98%。因此,甜菜色素還可用作抗酸腐蝕的環保金屬涂層[75]應用于食品包裝中,添加甜菜色素的食品包裝薄膜可用來監測食品質量和檢測包裝環境,并且這種生物大分子薄膜更易降解且更加環保[76];在生物技術領域,利用甜菜色素的熒光特性可使其應用于顯微鏡探針中,用于瘧疾感染紅細胞的熒光檢測,對酪氨酸酶活性進行評估,以及通過甜菜醛氨酸與一些氨基酸殘基中的游離胺基縮合反應來標記蛋白質[77];此外,甜菜色素在染料敏化太陽能電池中也有著重要作用,該技術將光能轉化為電能,轉換效率取決于著色劑在可見光譜中吸收陽光的能力及其與電池中二氧化鈦半導體相互作用的親合力。因此,甜菜色素的使用為太陽能電池提供了一種生態環保可再生的替代品[78]。

4.2 甜菜色素對人類健康的作用

氧化應激反應會引起機體一系列生理變化,從而導致一些退化性疾病的發展。甜菜色素由于具有抗氧化和清除活性氧自由基的功效,以及抗腫瘤、保護心臟等作用而越來越受到人們的重視[79]。現代藥理學研究表明,甜菜色素在人體內具有抗氧化、抗炎癥、抗病毒、降血壓血脂、避免心腦血管疾病和糖尿病,以及減輕肥胖的作用[80];傳統醫學中,甜菜色素可用于治療便秘、腸胃和關節疼、頭皮屑等疾病[11]。近年來,對于甜菜色素在人類健康中的作用又有了很多新的發現:除了抗氧化功能外,抗癌活性通常被認為是甜菜色素的第二大特性,Yin等[81]發現甜菜紅素具有加速癌細胞凋亡和縮短癌細胞周期的作用,從而抑制促炎癥細胞因子和腫瘤標志物的表達,具有廣泛的抗癌活性。也有報道表明仙人掌科植物提取物中的甜菜色素對結腸癌、乳腺癌、肝癌和前列腺癌的細胞活性均具有顯著抑制作用[82];此外,火龍果和假刺莧(Amaranthusdubius)中富含甜菜色素的部位表現出對登革熱病毒的抑制作用,甜菜色素很可能與病毒的包膜蛋白E 作用,通過干擾病毒與宿主的結合來抑制病毒傳染[83];Rivera等[84]在糖尿病小鼠體內添加甜菜色素,發現小鼠體內具有了抗血脂活性,同時甘油三酯、膽固醇含量降低且小鼠體重減輕;Wang等[85]的研究表明,甜菜紅素通過提高谷胱甘肽含量和降低髓過氧化物酶MPO 的活性,來降低炎癥細胞因子的表達從而可用于青光眼疾病的治療。綜上所述,甜菜色素在多個方面都表現出對人類健康具有積極作用,相信未來會有更多關于甜菜色素的醫療保健價值被挖掘出來。

5 展 望

近些年來,對于甜菜色素的研究方興未艾,在相關領域已經取得了長足進展。然而,相較于在葉綠素、花青素和類胡蘿卜素研究領域所取得的成果,對于甜菜色素的深入研究還亟待開展。由于甜菜色素與花青素之間的“深厚淵源”,且其自身又具有重要的觀賞價值和營養保健價值,因此對于甜菜色素的研究不僅有重要的理論意義,同時也具有廣闊的開發和應用前景。本文綜述了甜菜色素的生物合成及轉錄調控機制、光對甜菜色素合成的影響以及可能的分子機制、甜菜色素與花青素的關系以及甜菜色素的應用等領域的相關研究進展,希望能夠為未來更好地研究和開發利用甜菜色素提供思路。

在未來研究中,非常有必要進一步挖掘甜菜色素生物合成途徑中其他的基因和酶類,特別是與糖基化和酰基化反應有關的基因和酶類,這不僅可為闡明甜菜色素結構多樣性的形成機制奠定理論基礎,同時也有助于利用代謝工程的手段來合成具有不同色彩或更加穩定的甜菜色素化合物;此外,光照作為重要的環境因子之一,在誘導甜菜色素合成中發揮著重要作用,然而目前對于光信號調控甜菜色素生物合成的分子機制還所知甚少。鑒于在花青素植物中,光信號調控色素合成的分子機制已經逐漸明晰,因此,在未來研究中,立足于花青素植物中所取得的研究成果,深入解析光信號調控甜菜色素生物合成的分子機制也將會是一個非常有意義的研究領域。