蔬菜花青苷生物合成及转录调控的研究进展

　　摘 要：蔬菜在人们日常饮食中占据重要地位，可为人体提供维生素、礦物质等多种营养物质。颜色是蔬菜育种中重要的感官指标，而蔬菜颜色的形成受不同类型花青苷的影响。花青苷在植物生长发育、延缓机体衰老、预防心脏病等方面都发挥重要作用。研究表明，花青苷的生物合成受结构基因和调节基因的共同调控，分子水平上对蔬菜花青苷遗传机制的研究也在不断加深。笔者综述了与蔬菜花青苷生物合成途径中相关结构基因及其转录调控基因的研究现状，并对蔬菜花青苷的研究前景进行了展望。

　　关键词：蔬菜;花青苷;结构基因;转录调控

　　《南方农机》(双月刊)创刊于1970年，由江西省农业机械研究所、江西省农业机械化技术推广站、江西省农业机械学会主办。

　　蔬菜是一年或多年生草本或木本植物，含有幼嫩多汁的食用器官。从植物学分类上看，我国普遍栽培的蔬菜分为十字花科、伞形科、茄科等20多个科，包括白菜、胡萝卜、番茄等物种。蔬菜中含有大量的花青素、类胡萝卜素、番茄红素、维生素C等营养元素，具有较高的食用价值，还有增加饱腹感、促进消化等作用，是人体吸收膳食纤维、矿物质等营养物质的主要来源。其中，深色蔬菜(深绿色、红色、橘红色、紫红色等)更具营养优势。这些深色蔬菜由于高度富含花青素而越来越受到消费者的青睐，蔬菜颜色也成为选育和食用蔬菜最重要的品质之一。

　　花青素是植物次生代谢产物，属于类黄酮物质，主要积累在叶片、果实和花瓣表皮细胞的液泡内，赋予植物蓝、紫、红等颜色。花青素主要分为天竺葵素、矢车菊素、飞燕草素、芍药花素、矮牵牛素和锦葵色素[1]，如紫白菜中高度酰基化和糖基化修饰的矢车菊素[2]，洋葱中的矢车菊色素和飞燕草色素以及心里美萝卜中的天竺葵素[3]。但花青素在植物内不能稳定存在，常与糖(葡萄糖、半乳糖、芸香糖、龙胆三糖等)通过糖苷键形成花青苷。

　　花青苷在调控生长素运输、花的发育等方面发挥作用。花青苷生物合成过程中产生的黄酮醇已被认为与生长素转运负调控有关;花青苷还可能通过增加生长素的细胞内浓度，转而促进植物极性生长。花青苷能使植物的花呈现五颜六色，有利于吸引昆虫传播花粉，也有利于鸟类和动物采食种子以促进种子的传播和繁育。花青苷还广泛参与了防御紫外线、植物与微生物的互作、植物抗逆等过程。花青苷具有多种生物活性功能和药用价值，因其有较强的氧化还原活性，可作为抗氧化剂、自由基清除剂和二价阳离子的螯合剂，用于延缓人类机体衰老。此外，还有研究发现，花青苷在保护视力、预防心脏病及降低癌症等方面发挥非常重要的医疗保健功能。

　　花青苷的生物合成受两类基因的共同控制，一类是结构基因，编码其生物合成途径中所需要的酶;另一类是调节基因，其编码的转录因子调控结构基因的时空表达[4]。其生物合成途径是植物中表征较为完善的次级代谢途径之一，合成途径中所包含的主要结构基因和许多调控基因已经在拟南芥、玉米、矮牵牛等模式作物中得到了很好的表征。目前对蔬菜花青苷的研究不仅落后于模式作物，也落后于果树、花卉等园艺作物，但关于蔬菜花青苷的积累特性、生物合成及调控机制也取得了一定的进展。笔者概述了蔬菜花青苷生物合成途径关键结构基因及其转录调控基因的研究现状。

　　1 与花青苷合成相关的结构基因

　　花青苷的生物合成是一系列酶促反应(图1)，其生物合成途径已经在马铃薯、番茄、茄子、洋葱、甘蓝等蔬菜作物中都有了一定的研究。

　　1.1 CHS(Chalcone synthase)

　　CHS是类黄酮代谢途径中的第一个关键限速酶，位于花青苷合成通路的上游，催化4-香豆酰辅酶A和对香豆酰CoA生成查尔酮。甘薯IbCHS1[7]、茄子SmCHS[8]、辣椒CaCHS04和CaCHS05[9]等基因的表达量与不同颜色品种中花青苷含量呈正相关，表明这些CHS基因在花青苷合成途径中起关键作用。然而，胡朝阳等[10]通过RT-PCR分析表明，紫色马铃薯StCHS基因主要在茎和叶柄中表达，而在根、块茎和叶轴中几乎检测不到，表明StCHS基因表达具有组织特异性。

　　1.2 CHI(Chalcone isomerase)

　　查尔酮经CHI催化生成二氢黄酮醇，CHI基因表达量的高低通过影响查尔酮代谢的量间接影响花青苷的合成。CHI基因一般在植物各个组织中都有表达，其中白菜CHI(BrCHI)基因家族的表达还存在一定的器官差异性和时空特异性。如BrCHI1在生殖器官中表达;而BrCHI2主要在发育早期的种子中表达;BrCHI3在叶、花、蕾和中期种子中表达;而BrCHI4 也是主要在生殖器官中表达，但在种子发育后期表达量明显高于其他阶段。BrCHI基因各成员间表达的时空特异性表现在：BrCHIl表达量最高，BrCHI4表达量最低。洋葱CHI基因的失活阻断了花青苷的生物合成，导致了金色鳞茎的产生，其在番茄中的共表达可以增强花青素和黄酮醇的产生[11]，而且它对拟南芥PAP1调控基因的协同作用可以增强番茄皮的花青苷含量[12]。Guo J等[13]的研究结果表明，IbCHI是甘薯花青苷生物合成途径中发挥作用的关键酶，在根发育的早期阶段负责花青苷生物合成的活化。

　　1.3 F3H(Flavanone 3-hydroxylase)

　　F3H位于花青苷合成途径的中枢位点，控制着合成途径的代谢流向，在种皮和花的颜色形成中具有重要作用。F3H基因在不同的植物或组织中具有底物特异性，可以催化黄烷酮在C3位置羟基化形成无色的黄烷酮醇，也能够催化圣草酚、柚皮素、5羟基双氢黄酮等在3’位置的羟基化生成二氢黄酮醇。F3H基因在大多数物种中也仅以单拷贝形式存在，但在洋葱中以双拷贝形式存在，并催化柚皮素羟基化以产生二氢山萘酚。BrcF3H在紫色不结球白菜叶片中的表达量极显著高于在绿色叶片中的表达量，且其表达水平与不结球白菜叶片紫色着色程度正相关，推测此F3H基因为影响不结球白菜花青苷生物合成的关键基因之一。光在F3H基因的表达中发挥重要作用，如光可以诱導芜菁F3H基因的表达;闫瑞霞等[14]也通过叶片遮光处理试验证明紫山药DaF3H基因受光调节，且DaF3H基因表达与花青苷的积累表现为同步。

　　1.4 DFR(Dihydroflavonol 4-reductase)

　　DFR是花青苷合成后期发挥关键作用的酶，是决定无色到有色的重要调控点，DFR基因在进化中高度保守。Sunggil kim等[15-16]利用RACE技术克隆了DFR基因，通过RT-PCR分析发现DFR基因仅在红皮洋葱中表达，转录水平上DFR基因的失活导致美国黄洋葱中缺乏花青苷，并进一步根据DFR基因的突变设计了基于PCR的分子标记。Sunggil kim等[17]研究发现了DFR-A基因的2个新的突变类型也会导致洋葱表皮花青苷的缺失;Song等[18]研究发现，至少有9个DFR-A基因独立的自然突变会导致黄皮洋葱中花青苷合成的缺失。Zhang Chunsha等[19]通过转录组测序和代谢分析表明，DFR基因在洋葱深红色鳞茎的生物合成中发挥重要作用，其表达水平可能起到阻止蓝色色素沉着的作用。郭晋雅等[20]研究发现，紫肉甘薯IbDFR在块根中的表达量与其花青苷含量的变化趋势一致;Hongxia W等[21]用RNAi方法下调了转基因甘薯中IbDFR基因的表达，则显著减少了甘薯幼叶、茎和贮藏根中花青苷的积累。这都表明IbDFR可能是紫甘薯花青苷合成代谢过程中发挥关键作用的酶基因。SmDFR基因、BrcDFR基因也分别在茄子和不结球白菜花青苷生物合成中发挥重要作用。

　　1.5 ANS(Anthocyanidin synthase)

　　ANS是位于花青苷合成通路末端的酶，催化无色花青素向有色花青素的转化，其在基因水平、转录水平、蛋白水平存在的差异都有可能会影响花青苷的合成。Eun-Young Kim等[22]鉴定出2个新的ANS基因的等位变异，这种变异可以造成洋葱花青苷合成的缺失。许玉超等[23]发现，紫色不结球白菜ANS基因(BrcANS)mRNA表达量与叶片紫色直接相关，表明其可能在转录水平上调控叶片中紫色的形成。孙玉燕等[24]的研究表明，心里美萝卜RsANS推导得到的氨基酸序列与白萝卜存在4个氨基酸的差异，这种差异可能是导致心里美萝卜和白萝卜根肉色不同的关键因素之一。

　　1.6 UFGT(UDP-flavonoid glucosyltransferase)

　　UFGT是花青苷合成途径发挥作用的最后一个关键限速酶。张洪伟等[25]从洋葱中克隆得到了AcUFGT1基因和AcUFGT2基因，表达分析的结果表明，这2个基因在红洋葱中表达量很高，但在黄洋葱和白洋葱中几乎不表达，这表明AcUFGT1和AcUFGT2与洋葱鳞茎不同颜色的形成有关。前人通过紫肉甘薯和黄肉甘薯的RNA测序结果对比、PCR检测和Southern blot等方法发现并证明了UF3GT是甘薯花青苷合成途径的关键酶之一，且3GT是紫肉甘薯花青苷的重要组分之一。Liu Y等[26]证明了StUFGT1与马铃薯块茎中的花青苷生物合成相关，还发现了11个注释为UFGT的基因在紫色薯块与薯皮中差异表达;RNA-seq结果表明，紫色和白色马铃薯品种的UFGT基因有涉及功能变化或基因定位的SNP。