蔬菜花青苷生物合成及轉錄調控的研究進展

　　摘 要：蔬菜在人們日常飲食中占據重要地位，可為人體提供維生素、礦物質等多種營養物質。顏色是蔬菜育種中重要的感官指標，而蔬菜顏色的形成受不同類型花青苷的影響。花青苷在植物生長發育、延緩機體衰老、預防心臟病等方面都發揮重要作用。研究表明，花青苷的生物合成受結構基因和調節基因的共同調控，分子水平上對蔬菜花青苷遺傳機制的研究也在不斷加深。筆者綜述了與蔬菜花青苷生物合成途徑中相關結構基因及其轉錄調控基因的研究現狀，并對蔬菜花青苷的研究前景進行了展望。

　　關鍵詞：蔬菜;花青苷;結構基因;轉錄調控

　　《南方農機》(雙月刊)創刊于1970年，由江西省農業機械研究所、江西省農業機械化技術推廣站、江西省農業機械學會主辦。

　　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。從植物學分類上看，我國普遍栽培的蔬菜分為十字花科、傘形科、茄科等20多個科，包括白菜、胡蘿卜、番茄等物種。蔬菜中含有大量的花青素、類胡蘿卜素、番茄紅素、維生素C等營養元素，具有較高的食用價值，還有增加飽腹感、促進消化等作用，是人體吸收膳食纖維、礦物質等營養物質的主要來源。其中，深色蔬菜(深綠色、紅色、橘紅色、紫紅色等)更具營養優勢。這些深色蔬菜由于高度富含花青素而越來越受到消費者的青睞，蔬菜顏色也成為選育和食用蔬菜最重要的品質之一。

　　花青素是植物次生代謝產物，屬于類黃酮物質，主要積累在葉片、果實和花瓣表皮細胞的液泡內，賦予植物藍、紫、紅等顏色?；ㄇ嗨刂饕譃樘祗每亍⑹杠嚲账亍w燕草素、芍藥花素、矮牽牛素和錦葵色素[1]，如紫白菜中高度?；吞腔揎椀氖杠嚲账豙2]，洋蔥中的矢車菊色素和飛燕草色素以及心里美蘿卜中的天竺葵素[3]。但花青素在植物內不能穩定存在，常與糖(葡萄糖、半乳糖、蕓香糖、龍膽三糖等)通過糖苷鍵形成花青苷。

　　花青苷在調控生長素運輸、花的發育等方面發揮作用。花青苷生物合成過程中產生的黃酮醇已被認為與生長素轉運負調控有關;花青苷還可能通過增加生長素的細胞內濃度，轉而促進植物極性生長?；ㄇ嘬漳苁怪参锏幕ǔ尸F五顏六色，有利于吸引昆蟲傳播花粉，也有利于鳥類和動物采食種子以促進種子的傳播和繁育?；ㄇ嘬者€廣泛參與了防御紫外線、植物與微生物的互作、植物抗逆等過程?；ㄇ嘬站哂卸喾N生物活性功能和藥用價值，因其有較強的氧化還原活性，可作為抗氧化劑、自由基清除劑和二價陽離子的螯合劑，用于延緩人類機體衰老。此外，還有研究發現，花青苷在保護視力、預防心臟病及降低癌癥等方面發揮非常重要的醫療保健功能。

　　花青苷的生物合成受兩類基因的共同控制，一類是結構基因，編碼其生物合成途徑中所需要的酶;另一類是調節基因，其編碼的轉錄因子調控結構基因的時空表達[4]。其生物合成途徑是植物中表征較為完善的次級代謝途徑之一，合成途徑中所包含的主要結構基因和許多調控基因已經在擬南芥、玉米、矮牽牛等模式作物中得到了很好的表征。目前對蔬菜花青苷的研究不僅落后于模式作物，也落后于果樹、花卉等園藝作物，但關于蔬菜花青苷的積累特性、生物合成及調控機制也取得了一定的進展。筆者概述了蔬菜花青苷生物合成途徑關鍵結構基因及其轉錄調控基因的研究現狀。

　　1 與花青苷合成相關的結構基因

　　花青苷的生物合成是一系列酶促反應(圖1)，其生物合成途徑已經在馬鈴薯、番茄、茄子、洋蔥、甘藍等蔬菜作物中都有了一定的研究。

　　1.1 CHS(Chalcone synthase)

　　CHS是類黃酮代謝途徑中的第一個關鍵限速酶，位于花青苷合成通路的上游，催化4-香豆酰輔酶A和對香豆酰CoA生成查爾酮。甘薯IbCHS1[7]、茄子SmCHS[8]、辣椒CaCHS04和CaCHS05[9]等基因的表達量與不同顏色品種中花青苷含量呈正相關，表明這些CHS基因在花青苷合成途徑中起關鍵作用。然而，胡朝陽等[10]通過RT-PCR分析表明，紫色馬鈴薯StCHS基因主要在莖和葉柄中表達，而在根、塊莖和葉軸中幾乎檢測不到，表明StCHS基因表達具有組織特異性。

　　1.2 CHI(Chalcone isomerase)

　　查爾酮經CHI催化生成二氫黃酮醇，CHI基因表達量的高低通過影響查爾酮代謝的量間接影響花青苷的合成。CHI基因一般在植物各個組織中都有表達，其中白菜CHI(BrCHI)基因家族的表達還存在一定的器官差異性和時空特異性。如BrCHI1在生殖器官中表達;而BrCHI2主要在發育早期的種子中表達;BrCHI3在葉、花、蕾和中期種子中表達;而BrCHI4 也是主要在生殖器官中表達，但在種子發育后期表達量明顯高于其他階段。BrCHI基因各成員間表達的時空特異性表現在：BrCHIl表達量最高，BrCHI4表達量最低。洋蔥CHI基因的失活阻斷了花青苷的生物合成，導致了金色鱗莖的產生，其在番茄中的共表達可以增強花青素和黃酮醇的產生[11]，而且它對擬南芥PAP1調控基因的協同作用可以增強番茄皮的花青苷含量[12]。Guo J等[13]的研究結果表明，IbCHI是甘薯花青苷生物合成途徑中發揮作用的關鍵酶，在根發育的早期階段負責花青苷生物合成的活化。

　　1.3 F3H(Flavanone 3-hydroxylase)

　　F3H位于花青苷合成途徑的中樞位點，控制著合成途徑的代謝流向，在種皮和花的顏色形成中具有重要作用。F3H基因在不同的植物或組織中具有底物特異性，可以催化黃烷酮在C3位置羥基化形成無色的黃烷酮醇，也能夠催化圣草酚、柚皮素、5羥基雙氫黃酮等在3’位置的羥基化生成二氫黃酮醇。F3H基因在大多數物種中也僅以單拷貝形式存在，但在洋蔥中以雙拷貝形式存在，并催化柚皮素羥基化以產生二氫山萘酚。BrcF3H在紫色不結球白菜葉片中的表達量極顯著高于在綠色葉片中的表達量，且其表達水平與不結球白菜葉片紫色著色程度正相關，推測此F3H基因為影響不結球白菜花青苷生物合成的關鍵基因之一。光在F3H基因的表達中發揮重要作用，如光可以誘導蕪菁F3H基因的表達;閆瑞霞等[14]也通過葉片遮光處理試驗證明紫山藥DaF3H基因受光調節，且DaF3H基因表達與花青苷的積累表現為同步。

　　1.4 DFR(Dihydroflavonol 4-reductase)

　　DFR是花青苷合成后期發揮關鍵作用的酶，是決定無色到有色的重要調控點，DFR基因在進化中高度保守。Sunggil kim等[15-16]利用RACE技術克隆了DFR基因，通過RT-PCR分析發現DFR基因僅在紅皮洋蔥中表達，轉錄水平上DFR基因的失活導致美國黃洋蔥中缺乏花青苷，并進一步根據DFR基因的突變設計了基于PCR的分子標記。Sunggil kim等[17]研究發現了DFR-A基因的2個新的突變類型也會導致洋蔥表皮花青苷的缺失;Song等[18]研究發現，至少有9個DFR-A基因獨立的自然突變會導致黃皮洋蔥中花青苷合成的缺失。Zhang Chunsha等[19]通過轉錄組測序和代謝分析表明，DFR基因在洋蔥深紅色鱗莖的生物合成中發揮重要作用，其表達水平可能起到阻止藍色色素沉著的作用。郭晉雅等[20]研究發現，紫肉甘薯IbDFR在塊根中的表達量與其花青苷含量的變化趨勢一致;Hongxia W等[21]用RNAi方法下調了轉基因甘薯中IbDFR基因的表達，則顯著減少了甘薯幼葉、莖和貯藏根中花青苷的積累。這都表明IbDFR可能是紫甘薯花青苷合成代謝過程中發揮關鍵作用的酶基因。SmDFR基因、BrcDFR基因也分別在茄子和不結球白菜花青苷生物合成中發揮重要作用。

　　1.5 ANS(Anthocyanidin synthase)

　　ANS是位于花青苷合成通路末端的酶，催化無色花青素向有色花青素的轉化，其在基因水平、轉錄水平、蛋白水平存在的差異都有可能會影響花青苷的合成。Eun-Young Kim等[22]鑒定出2個新的ANS基因的等位變異，這種變異可以造成洋蔥花青苷合成的缺失。許玉超等[23]發現，紫色不結球白菜ANS基因(BrcANS)mRNA表達量與葉片紫色直接相關，表明其可能在轉錄水平上調控葉片中紫色的形成。孫玉燕等[24]的研究表明，心里美蘿卜RsANS推導得到的氨基酸序列與白蘿卜存在4個氨基酸的差異，這種差異可能是導致心里美蘿卜和白蘿卜根肉色不同的關鍵因素之一。

　　1.6 UFGT(UDP-flavonoid glucosyltransferase)

　　UFGT是花青苷合成途徑發揮作用的最后一個關鍵限速酶。張洪偉等[25]從洋蔥中克隆得到了AcUFGT1基因和AcUFGT2基因，表達分析的結果表明，這2個基因在紅洋蔥中表達量很高，但在黃洋蔥和白洋蔥中幾乎不表達，這表明AcUFGT1和AcUFGT2與洋蔥鱗莖不同顏色的形成有關。前人通過紫肉甘薯和黃肉甘薯的RNA測序結果對比、PCR檢測和Southern blot等方法發現并證明了UF3GT是甘薯花青苷合成途徑的關鍵酶之一，且3GT是紫肉甘薯花青苷的重要組分之一。Liu Y等[26]證明了StUFGT1與馬鈴薯塊莖中的花青苷生物合成相關，還發現了11個注釋為UFGT的基因在紫色薯塊與薯皮中差異表達;RNA-seq結果表明，紫色和白色馬鈴薯品種的UFGT基因有涉及功能變化或基因定位的SNP。