番茄紅素代謝及分子調(diào)控機(jī)理研究進(jìn)展

豆峻嶺　劉文革

摘 要：番茄紅素廣泛存在于各種植物中，它不僅是植物花、果實(shí)等形成紅色的主要色素，也是對(duì)人體健康有益的一種類胡蘿卜素。它在植物體內(nèi)的合成及分解涉及許多中間物質(zhì)，并且受到多種酶基因的調(diào)控，而這些中間物質(zhì)也參與植物體內(nèi)其他物質(zhì)的合成代謝。目前圍繞著番茄紅素的生物合成以及合成途徑中相關(guān)酶基因的研究越來(lái)越多，并且通過(guò)對(duì)關(guān)鍵酶基因的超量表達(dá)、RNA沉默已經(jīng)獲得了一些高番茄紅素植株。綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于番茄紅素合成途徑相關(guān)酶基因的研究、影響其生物合成的一些相關(guān)因素以及為提高植物中番茄紅素含量而進(jìn)行的一些基因工程方面的研究，以期為進(jìn)一步轉(zhuǎn)基因研究以及高番茄紅素植物品種的選育提供思路。

關(guān)鍵詞：番茄紅素； 生物合成； 酶基因； 影響因素

中圖分類號(hào)：S65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-9980？穴2013？雪04-0697-09

植物色素的種類主要有生物堿類、花青素類、類胡蘿卜素類等物質(zhì)。生物堿類種類繁多，大都由不同的氨基酸或其直接衍生物合成而來(lái)?；ㄇ嗨厥且活愔匾乃苄蕴烊恢参锷?，屬于類黃酮物質(zhì)，廣泛存在于植物的花、葉、果實(shí)、果皮中。而類胡蘿卜素類色素是一類脂溶性的色素，不溶于水，難溶于甲醇，易溶于乙醇、乙醚和氯仿等溶劑，是一類對(duì)人體有益的物質(zhì)，番茄紅素（Lycopene）是類胡蘿卜素的一種，又稱ψ-胡蘿卜素，屬于異戊二烯類化合物[1]。番茄紅素作為一種功能性天然色素，具有淬滅活性氧、消除人體自由基、預(yù)防心臟病、減緩動(dòng)脈粥樣硬化、預(yù)防多種癌癥、保護(hù)心血管、抗老化、保護(hù)皮膚等功能[2-6]。

1 番茄紅素生物合成途徑及相關(guān)酶基因的研究

1.1 番茄紅素生物合成途徑

番茄紅素屬于類胡蘿卜素的一種，它是許多類胡蘿卜素生物合成的中間體，經(jīng)過(guò)環(huán)化可形成其他類胡蘿卜素。近些年來(lái)，人們對(duì)番茄紅素生物合成的認(rèn)識(shí)取得了很大的進(jìn)展[11-13]。4分子的異戊烯基焦磷酸（IPP）在牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合成酶（GGPS）的作用下縮合成牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（GGPP），2分子的GGPP經(jīng)八氫番茄紅素合成酶（PSY）催化，在質(zhì)體中縮合形成無(wú)色的八氫番茄紅素，八氫番茄紅素由八氫番茄紅素脫氫酶（PDS）催化形成ζ-胡蘿卜素，再由ζ-胡蘿卜素脫氫酶（ZDS）連續(xù)催化形成粉紅色的番茄紅素，多順式番茄紅素在類胡蘿卜素異構(gòu)酶（CRTISO）的作用下形成全反式番茄紅素。番茄紅素的降解由番茄紅素β環(huán)化酶LCYb和番茄紅素α環(huán)化酶LCYe催化，形成β-胡蘿卜素或α-胡蘿卜素，進(jìn)而降解合成葉黃素、玉米黃素、新黃質(zhì)等其他類胡蘿卜素。

1.2 調(diào)控番茄紅素合成途徑相關(guān)基因的研究

參與植物不同組織器官中番茄紅素生物合成的酶基因具有多種功能。GGPP是植物體內(nèi)類胡蘿卜素、葉綠素、赤霉素、磷酸甘油醛、質(zhì)體醌等多種物質(zhì)的合成前體，GGPS在植物中多以家族的形式存在。在擬南芥中有5個(gè)具有功能的基因，它們表達(dá)的蛋白質(zhì)存在于葉綠體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等亞細(xì)胞中，在不同的部位負(fù)責(zé)不同GGPP的合成[23]。在番茄中，已經(jīng)克隆出LeGGPS1和LeGGPS2兩個(gè)基因，LeGGPS1主要在葉中表達(dá)，LeGGPS2主要在花和果實(shí)中表達(dá)，并且在番茄果實(shí)成熟過(guò)程中對(duì)番茄紅素的積累起重要作用[24]。PSY基因是控制番茄紅素合成的一個(gè)限速酶基因，它控制著GGPP向八氫番茄紅素的轉(zhuǎn)化。在黃花龍膽中至少有2個(gè)PSY基因，PSYI基因在花中特異性表達(dá)[25]。目前已經(jīng)有研究證明水稻中有3個(gè)PSY基因，其中PSY3與植物的抗逆性有關(guān)[26]。蘋果中有4個(gè)PSY基因，并且在不同時(shí)期不同組織中它們的表達(dá)量也不同[27]。PDS、ZDS、CRTISO 3個(gè)基因共同作用將八氫番茄紅素轉(zhuǎn)化為全反式番茄紅素。Giuliano等[28]從擬南芥中克隆了PDS、ZDS，生成的主要產(chǎn)物是原番茄紅素，即順式番茄紅素。果實(shí)中番茄紅素主要以反式番茄紅素的形式存在，CRTISO基因具有將順式番茄紅素轉(zhuǎn)化為反式番茄紅素的功能。LCYb和LCYe是番茄紅素分解的2個(gè)關(guān)鍵酶基因，研究表明LCYb位于辣椒第10號(hào)染色體上，催化番茄紅素生成β-胡蘿卜素，LCYb活性減弱會(huì)導(dǎo)致β-胡蘿卜素及其下游產(chǎn)物的減少。LCYe位于辣椒第9號(hào)染色體上，LCYe的上調(diào)表達(dá)導(dǎo)致γ-胡蘿卜素大量積累，并最終使得果實(shí)發(fā)育成橙色[29]。

1.3 果實(shí)發(fā)育過(guò)程中調(diào)控番茄紅素代謝關(guān)鍵酶基因表達(dá)水平研究

不同物種間相關(guān)基因的研究已經(jīng)較為深入，而同一物種不同性狀或不同倍性間相關(guān)基因的表達(dá)情況研究尚少。研究表明西瓜不同瓤色品種以及同一品種不同染色體倍性材料（2x、3x、4x）番茄紅素含量存在明顯的差異，通過(guò)研究不同瓤色西瓜PSY、PDS、ZDS、CRTISO、LCYb、CHYB和ZEP酶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)發(fā)現(xiàn)，淡黃瓤中未發(fā)現(xiàn)CRTISO表達(dá)，橙黃色瓤中CRTISO表達(dá)量較低，而其他基因在不同瓤色和組織中均有表達(dá)，但并未發(fā)現(xiàn)表達(dá)差異，西瓜番茄紅素生物合成的酶基因表達(dá)可能存在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控現(xiàn)象[34-37]。西瓜不同倍性間番茄紅素含量均為M3x>M4x>M2x，袁平麗等[34，38]的研究表明PSY、LCYb 2個(gè)基因的表達(dá)量均是先增高后降低，不同倍性之間，基因的表達(dá)量也存在著明顯的差異，多倍體中兩個(gè)基因的表達(dá)量都要比二倍體的高。目前，番茄、西瓜等多種作物的全基因組測(cè)序都已經(jīng)完成，這為轉(zhuǎn)基因研究奠定了基礎(chǔ)，也為番茄紅素關(guān)鍵酶基因的研究提供了極好的平臺(tái)。

1.4 番茄紅素基因改良的研究

目前很多研究者都通過(guò)轉(zhuǎn)基因的方法來(lái)增加果實(shí)中的番茄紅素含量，而研究最多的是基因的超量表達(dá)和基因沉默（RNAi）。PSY是番茄紅素生物合成途徑的一個(gè)限速酶，而LCYb控制著番茄紅素的分解，這2種基因目前主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因研究。

1.4.1 基因超量表達(dá) Zhang等[39]從柑橘中克隆了PSY，通過(guò)在大腸桿菌中異源表達(dá)證明了它的活性，將此基因轉(zhuǎn)入植物中過(guò)量表達(dá)，果實(shí)中番茄紅素、β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素的含量有顯著的提高。Dharmapuri等[40]將LCYb基因和辣椒CHYB基因在番茄果實(shí)特異性啟動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)入番茄中，使轉(zhuǎn)基因番茄中玉米黃質(zhì)和β-隱黃質(zhì)的含量增加100多倍，β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素含量也增加將近10倍，但是番茄紅素的含量卻減少一半。周文靜[41]將紅肉臍橙中LCYb基因轉(zhuǎn)入到番茄果實(shí)中使LCYb超量表達(dá)后也發(fā)現(xiàn)，各種類胡蘿卜素的含量均發(fā)生了顯著的變化，β-胡蘿卜素含量明顯增加，而番茄紅素積累減少。而在轉(zhuǎn)基因的甘薯中，通過(guò)LCYe的下游調(diào)控可以增加類胡蘿卜素的含量，而降低番茄紅素含量[42]。

1.4.2 基因沉默（RNAi） 除了通過(guò)向植物中導(dǎo)入關(guān)鍵酶基因，增加番茄紅素合成前體物質(zhì)的供應(yīng)這一方式來(lái)提高番茄紅素外，還可通過(guò)RNAi技術(shù)抑制番茄紅素下游基因的表達(dá)從而提高番茄紅素的含量，Rosati等[43]和萬(wàn)群等[44]分別通過(guò)干擾技術(shù)抑制LCYb的表達(dá)，使番茄果實(shí)中的番茄紅素含量有了顯著的提高。馬超等[45]也通過(guò)RNA干擾阻斷番茄紅素下游的LCYb基因的表達(dá)來(lái)達(dá)到調(diào)控番茄紅素大量積累的目的。由此可見，利用反向調(diào)控手段對(duì)LCYb基因?qū)嵤└蓴_來(lái)提高果實(shí)番茄紅素含量也是一條較為有效的途徑。

2 影響番茄紅素生物合成的其他因素

2.1 植物內(nèi)源激素的影響

目前研究較多的是ABA和GA對(duì)番茄紅素合成途徑的調(diào)控。Galpaz等[9]研究認(rèn)為，番茄ABA缺失突變體中由于ABA的缺乏導(dǎo)致了色素分割區(qū)域的變大，這可能是由于色素分裂的增加促進(jìn)了色素的儲(chǔ)藏能力。Sun[48]通過(guò)對(duì)番茄ABA合成途徑中編碼9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶的基因SlNCED1的RNAi發(fā)現(xiàn)，ABA的合成受到SlNCED1的抑制后會(huì)導(dǎo)致番茄紅素以及β-胡蘿卜素的增加，所有受到RNAi的果實(shí)都會(huì)表現(xiàn)出深紅色，從而認(rèn)為ABA可能在番茄果實(shí)成熟過(guò)程中起著調(diào)控果實(shí)著色的程度以及類胡蘿卜素的成分的作用。Gao等[49]的研究表明乙烯僅僅影響番茄紅素的積累，并間接影響與番茄紅素相關(guān)的揮發(fā)性物質(zhì)的積累。Minlee等[8]對(duì)番茄以及其野生近緣種的研究也顯示出，對(duì)SlERF6的RNAi能夠增加果實(shí)成熟期番茄紅素和乙烯的含量。王貴元等[50]對(duì)紅肉甜橙的研究表明番茄紅素和β-胡蘿卜素的積累伴隨著GA含量的下降和ABA含量的上升，表明內(nèi)源GA和ABA對(duì)番茄紅素和β-胡蘿卜素的積累分別具有負(fù)調(diào)控和正調(diào)控的效應(yīng)。

除此以外，對(duì)各種突變體的遺傳分析顯示，圍繞著番茄紅素代謝途徑還存在其他激素信號(hào)。Sorefan等[51]對(duì)擬南芥一個(gè)多分枝突變體MAX（more axillary）的分析顯示，誘導(dǎo)擬南芥腋芽發(fā)生的是一個(gè)作用于類胡蘿卜素下游的基因MAX。而它編碼類胡蘿卜素雙加氧裂解酶（CCD），CCD與多種酶共同作用催化類胡蘿卜素形成具有抑制分枝的獨(dú)腳金內(nèi)酯類化合物[52-53]。盡管目前對(duì)于類胡蘿卜素以及與之緊密相關(guān)的赤霉素、脫落酸、獨(dú)腳金內(nèi)酯等激素的代謝途徑已經(jīng)較為清楚，但是代謝調(diào)控角度的研究進(jìn)展并不是很多，尚有一些參與代謝的酶基因有待于克隆鑒定。

2.2 外源施用激素的影響

內(nèi)源激素的變化與番茄紅素的合成具有很大的相關(guān)性，外源激素的施用對(duì)番茄紅素的合成應(yīng)該也會(huì)有一定的影響。研究表明，乙烯利處理番茄果實(shí)可促進(jìn)PSY基因的表達(dá)，可提高番茄紅素上游物質(zhì)的合成量，抑制番茄紅素向下游物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[54-55]。這說(shuō)明乙烯利的處理兼有提高前體物質(zhì)合成和減少下游物質(zhì)轉(zhuǎn)化的雙重作用。該研究還表明葡萄糖3.0%、谷氨酸鈉3.0%、乙烯利1.0%的這3種物質(zhì)混合配比可以提高番茄中番茄紅素的含量，處理不同的品種結(jié)果也不相同，番茄紅素的含量最多能提高191%[56]。ABA的合成途徑是番茄紅素合成途徑的一個(gè)延伸，故通過(guò)外源施用ABA可以反饋調(diào)節(jié)番茄紅素的生物合成，翁倩等[57]通過(guò)對(duì)番茄外施一定濃度的ABA顯示ABA可以促進(jìn)番茄紅素積累，其含量隨外源ABA濃度的增加表現(xiàn)出先增加后減少的現(xiàn)象，表明較低濃度的外源ABA更有利于番茄紅素的積累。施用極低濃度的油菜素內(nèi)酯（BR）也能促進(jìn)番茄紅素的積累，且濃度越低，促進(jìn)效果越明顯。王貴元等[58]測(cè)定了紅肉臍橙果實(shí)發(fā)育期間和果實(shí)轉(zhuǎn)色前不同濃度的外源ABA和GA3處理后果皮葉綠素和類胡蘿卜素的動(dòng)態(tài)含量，并測(cè)定了外源ABA和GA3處理后成熟紅肉臍橙果皮色澤的表現(xiàn)。果實(shí)轉(zhuǎn)色前，用外源ABA和GA3處理都抑制了果皮類胡蘿卜素的積累，嚴(yán)重阻礙了果皮番茄紅素的合成。

2.3 外界關(guān)鍵生境因子的影響

光質(zhì)也影響植物番茄紅素代謝。Albar等[60]研究發(fā)現(xiàn)，用短暫的紅光照射綠熟期的番茄果實(shí)可刺激果實(shí)番茄紅素比對(duì)照提高2.1倍，但這種紅光誘導(dǎo)的番茄紅素積累會(huì)被隨后的遠(yuǎn)紅光處理逆轉(zhuǎn)。Northern分析表明果實(shí)中光敏色素A的mRNA在果實(shí)成熟時(shí)增加了11.4倍。果皮組織的光譜測(cè)定表明果實(shí)從綠熟期到紅色成熟期階段紅光/遠(yuǎn)紅光的光譜比值增加了4倍，表明番茄果實(shí)中番茄紅素積累是由位于果實(shí)中的光敏色素通過(guò)光誘導(dǎo)調(diào)節(jié)的。

2.3.2 溫度 溫度對(duì)番茄紅素積累的影響與其對(duì)果實(shí)形成的影響相似，在番茄的研究中顯示，溫度高于30 ℃或者低于10 ℃時(shí)，番茄紅素的合成受抑制，溫度高于32 ℃時(shí)活性完全被抑制，18～26 ℃時(shí)活性最高[61]。溫度變化控制番茄紅素合成的酶濃度，而酶濃度的變化最終控制著番茄紅素的表達(dá)水平。孫明奇[62]對(duì)柑橘果皮類胡蘿卜素的研究表明，高溫條件下，柑橘果皮類胡蘿卜素重組異構(gòu)化程度較高，主要為反式向順勢(shì)的異構(gòu)化，但程度仍不如氧化降解。其特征變化為順式-α-隱黃質(zhì)和13-順式-β-胡蘿卜素含量的增加。這使得高溫對(duì)番茄紅素等類胡蘿卜素有降解的作用，而低溫條件下，它們較為穩(wěn)定。

2.3.3 栽培措施及肥水管理等因素的影響 除了光照和溫度外，施肥、灌溉、栽培等條件也會(huì)對(duì)番茄紅素的積累產(chǎn)生影響。牛曉麗等[63]對(duì)番茄的研究表明，番茄中番茄紅素含量隨灌水量、施磷量以及有機(jī)肥用量呈開口向下的拋物線型變化，隨氮、鉀肥用量呈開口向上的拋物線型變化。交互效應(yīng)表現(xiàn)為，磷與鉀、氮與鉀、磷與有機(jī)肥以及鉀與有機(jī)肥用量間存在極顯著的交互作用，水分與其他因素間的交互效應(yīng)不顯著。何楠等[64]的研究也表明通過(guò)外源施用鉀肥可以提高西瓜果肉中番茄紅素的含量。在一定范圍內(nèi)，番茄紅素含量隨鉀肥的增加而增加。栽培環(huán)境也對(duì)番茄紅素的積累有較大影響，有研究表明，露地栽培的番茄中番茄紅素的含量要明顯高于大棚栽培的番茄。而且設(shè)施栽培對(duì)各成熟度番茄紅素含量也有影響，在夏季，陽(yáng)光充足，溫度適宜，露地栽培番茄從紅熟期到過(guò)熟期番茄紅素含量增加較快，而大棚內(nèi)溫度過(guò)高，番茄成熟過(guò)快，番茄紅素合成速度則較慢[65]。李紀(jì)鎖[66]的研究表明，露地栽培條件下，果實(shí)不同遮光處理對(duì)番茄紅素的含量有明顯的影響，果實(shí)內(nèi)番茄紅素的含量隨光照強(qiáng)度的減弱而減少。

3 問(wèn)題與展望

在過(guò)去的幾年里，人們對(duì)番茄紅素合成途徑及其在各個(gè)器官中的代謝和調(diào)控的影響因素都做了大量的研究，也取得了很大的進(jìn)展。目前已經(jīng)從多種植物中克隆了番茄紅素合成途徑關(guān)鍵酶基因的片段或全長(zhǎng)序列。這為以后培育高番茄紅素的植物新品種提供了前提。但也存在著一些問(wèn)題，如目前對(duì)番茄紅素生物合成途徑基因的調(diào)控以及表達(dá)調(diào)控機(jī)制了解有限；大部分關(guān)于番茄紅素的研究都集中在番茄等模式植物中，其他植物中的研究相對(duì)較少，而且提高番茄紅素含量的研究大多集中在其自身合成途徑的基因調(diào)控上，而通過(guò)施加外部因素來(lái)影響其含量的研究還不深入。

在今后的研究中，我們要借鑒番茄中番茄紅素的前沿研究在多種植物中進(jìn)行深入研究。另外除了要先弄清楚植物體內(nèi)番茄紅素積累的特點(diǎn)、代謝的生理機(jī)制、基因的分子調(diào)控機(jī)制以及內(nèi)外部環(huán)境對(duì)其合成的影響外，還要利用超量表達(dá)、基因沉默等手段來(lái)分析不同基因的特殊功能，為轉(zhuǎn)基因的研究提供理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步研究導(dǎo)入的外源基因?qū)χ参矬w內(nèi)番茄紅素合成基因表達(dá)的影響，為進(jìn)一步開展番茄紅素的研究奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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