甘蔗多酚類物質(zhì)研究進展

唐云仙，楊麗濤，楊柳，廖芬，李楊瑞1，

（1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧530005；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，南寧530007）

甘蔗多酚類物質(zhì)研究進展

唐云仙，楊麗濤1，2*，楊柳2，廖芬2，李楊瑞1，2

（1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧530005；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，南寧530007）

綜述了甘蔗多酚類物質(zhì)的成分、分布、代謝、降低酚害途徑及遺傳改良調(diào)節(jié)PPO等的研究進展。

甘蔗；多酚；褐變；遺傳改良；研究進展

植物多酚是廣泛存在于植物體內(nèi)（果實、皮、根和葉中）的多羥基酚類化合物的總稱，又稱鞣質(zhì)、單寧[1]。目前人們對茶多酚、蘋果多酚、葡萄多酚等進行的研究比較多，因為植物多酚具有抗腫瘤、抗氧化、抑菌、抗病毒等多種生理功能，而這些酚類物質(zhì)的含量較其他酚類物質(zhì)多。研究人員在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)χ参锒喾舆M行了基礎(chǔ)應(yīng)用研究，也獲得一些成效，如在醫(yī)藥、食品、保健品及日用化學(xué)品等方面的廣泛應(yīng)用[2]。多酚類物質(zhì)又是組織培養(yǎng)中褐變的主要底物，為了減少褐變，研究者對多酚進行了很多研究，希望能通過各種途徑來減少褐變的發(fā)生，從而提高組織培養(yǎng)的成活率。甘蔗是一類多酚含量很高的植物，甘蔗組織培養(yǎng)中褐變主要發(fā)生在外植體，愈傷組織的繼代、懸浮細胞培養(yǎng)以及原生質(zhì)體的分離與培養(yǎng)中也經(jīng)常發(fā)生。本文就前人在甘蔗組織培養(yǎng)中的一些研究及甘蔗多酚的結(jié)構(gòu)、代謝、降低酚害途徑進行概述。

1 甘蔗品種和組織的多酚含量

甘蔗同某些食用植物如大豆、茶葉等一樣，含有對人體有益的具抗氧化作用的多酚類化合物。甘蔗中含有的多酚類化合物是在酶的作用下自然形成的肉桂酸和黃酮類的前身衍生出來的，其分子結(jié)構(gòu)包含了一個獨特的共振電子體系，該結(jié)構(gòu)具有一個重要特征是pH敏感性[3]。Saska等研究發(fā)現(xiàn)甘蔗中的多酚類物質(zhì)多集中在生長點周圍的蔗梢部分，其中分子量≥5000的高分子多酚類物質(zhì)在蔗葉占33%，蔗梢占37%，去梢后的蔗莖僅占30%，可見蔗梢雖僅為蔗莖的小部分，但多酚類化合物比蔗莖含量還豐富，且相對集中；還測得甘蔗生長點、梢部汁、去梢蔗莖汁三部分的壓榨汁多酚類物質(zhì)含量分別為：1536mg/kg、2668 mg/kg、553 mg/kg[4]。多酚類是蔗糖顏色的主要組成成分之一，甘蔗中的多酚類物質(zhì)含有C6-C3-C6的碳骨架，同時在苯環(huán)上都具有兩個以上的羥基，屬水溶性色素，最為常見的有3類：即花青素、花黃素、兒茶素[5]。孫曉雪通過HPLC-UV初步分析，發(fā)現(xiàn)甘蔗梢在60%乙醇洗脫時得到的表兒茶素最多（約占56%），其組分中還含有兒茶素、兒茶酚、綠原酸、沒食子酸[6]。

Duarte-Almeida用大孔樹脂提取蔗汁中的酚類物質(zhì)，并釆用反相高效液相色譜-二極管陣列檢測器對酚類物進行分離鑒定，結(jié)果鑒定出蔗汁中主要含有麥黃酮、毛地黃酮、芹菜苷元、咖啡酸、芥子酸和羥基肉桂酸6種酚類物質(zhì)，之后他們進一步利用HPLC分離和鑒定了不同品種的甘蔗混合汁、糖漿、糖膏和高級化糖中的黃酮類化合物（芹菜素、木犀草素和麥黃酮衍生物）和苯丙素類化合物（咖啡酸、綠原酸和香豆酸）的含量[7-8]。植物顯紅、藍、紫色是花色素造成的，花色素易受酶、酸、堿或加熱作用的影響。霍漢鎮(zhèn)提到蔗汁中的鞣質(zhì)是兒茶素的縮合物，因為鞣質(zhì)受氧化酶作用并與鐵反應(yīng)而使得甘蔗壓榨汁呈暗綠色，甘蔗中原有的色素物質(zhì)如黃酮類化合物的芹菜素、木犀草素和小麥黃素使之顯黃色。在甘蔗中還發(fā)現(xiàn)花色素類中的天竺葵花色素、矢車菊花色素，它們分別含有4個-OH、5個-OH。酚酸類化合物分子量較小，在甘蔗中發(fā)現(xiàn)的酚酸類化合物主要有苯甲酸的衍生物，如奎尼酸、莽草酸等；有肉桂酸（苯丙烯酸）的衍生物，如咖啡酸、香豆酸、阿魏酸；還有含兩個苯環(huán)的化合物，如綠原酸[9]。

2 甘蔗多酚的代謝

甘蔗是一種體內(nèi)含多酚類物質(zhì)較高的作物，尤其是甘蔗幼嫩莖尖和嫩葉鞘部位含量更高[10]。在甘蔗莖尖組織培養(yǎng)時，細胞在莖尖組織和繼代過程中受到破壞，細胞內(nèi)的多元酚類化合物被氧化，對細胞有害的褐色醌類物質(zhì)形成速度加快，在莖尖組織上聚集大量的醌類物質(zhì)，使甘蔗組織變褐色，這種褐化物在培養(yǎng)基中慢慢向外擴散變成褐色，抑制外植體的脫分化和器官分化過程所需酶的活性，從而使組織壞死，致使培養(yǎng)失敗[11]。在正常發(fā)育的植株中，正常組織或細胞中的多酚類化合物則主要分布在細胞的液胞內(nèi)，而多酚氧化酶（PPO）則分布在質(zhì)體或細胞質(zhì)內(nèi)，這種區(qū)室化分布使底物與PPO無法接觸，因此正常植物體內(nèi)底物、氧氣、PPO即使同時存在也不發(fā)生褐變現(xiàn)象。切取莖尖組織和繼代過程中細胞膜的結(jié)構(gòu)受到破壞并發(fā)生變化，造成區(qū)室化被打破，多酚類物質(zhì)與PPO就有了接觸的機會，在氧存在的情況下被氧化為醌，繼而發(fā)生一系列的脫水、聚合反應(yīng)，最終形成黑褐色物質(zhì)，從而引起褐變，造成植物組織壞死[12]。

3 甘蔗組培降低酚害途徑

引起外植體組織培養(yǎng)褐化的因素是復(fù)雜多樣的，如所選取的材料基因型、材料年齡、選取部位、取材時間、外植體大小這些內(nèi)因都會影響褐化的發(fā)生[13]。研究證明，挑選合適的外植體材料并建立最佳培養(yǎng)條件是減輕和克制材料褐化的重要手段，有報道說可以通過改變外植體周圍的氧化還原電勢，從而抑制酚類氧化，減輕褐化，而改變外植體周圍的氧化還原電勢的方法有在培養(yǎng)基中加入抗氧化劑（如抗壞血酸、半胱氨酸、羥基乙醇、硫代硫酸鈉等）以及在培養(yǎng)基中加入各類吸附劑[如活性炭、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等]可以把有毒物質(zhì)從外植體的周圍吸附掉，從而去除因酚類氧化造成的毒害效應(yīng)[14-15]；在接種之前，用加有抗氧化劑的水溶液浸泡一定時間，可以減輕褐化的發(fā)生并能提高組織培養(yǎng)誘導(dǎo)率[16]。賢武等發(fā)現(xiàn)接種后第2天的甘蔗莖尖材料，濾紙上的外植體周圍開始出現(xiàn)淡淡的紫紅色，接著顏色慢慢變深，酚害加重。及時轉(zhuǎn)管、縮短轉(zhuǎn)管周期是減輕不同甘蔗品種酚害影響最有效的措施之一[17]。王敬駒等指出，甘蔗品種的遺傳基礎(chǔ)對外植體的培養(yǎng)成功率的影響很大，PPO活性強、容易形成色素污染的品種，組織培養(yǎng)效果較差[15]。何明在研究中觀察到4個甘蔗材料的心葉愈傷組織的誘導(dǎo)效果、愈傷組織發(fā)育及增殖情況有很大的差別，這是因為不同甘蔗品種各化合物的含量差別大[18]。曾東火等分別對4個甘蔗品種（品系）愈傷組織的綠苗分化的研究表明不同甘蔗品種（品系）間的愈傷組織分化出苗的能力有很大差異[19]。劉麗敏等針對在甘蔗莖尖培養(yǎng)過程褐變率和污染率高將會導(dǎo)致培養(yǎng)成功率低的問題，試驗研究了甘蔗熱處理、莖尖解剖、接種等各個階段、環(huán)節(jié)，結(jié)果表明，不同甘蔗品種的熱處理需要不同的水浴溫度與時間，即：果蔗拔地拉受水浴溫度的影響較大，應(yīng)使用較低溫度50℃進行水浴。糖蔗ROC22受水浴溫度的影響較小，經(jīng)52℃半個小時后發(fā)芽率仍有80%；在對莖尖解剖前，使用75%酒精擦拭表面可以減少酚類污染，PVP還會促進其生長等[20]。戴友銘等在甘蔗嫩葉鞘外植體褐變相關(guān)因子研究得到：春季取樣、采用適當(dāng)?shù)幕九囵B(yǎng)基和蔗糖濃度，基本培養(yǎng)基中無機鹽離子濃度越高，甘蔗嫩葉鞘外植體褐變就越容易發(fā)生，但其愈傷組織誘導(dǎo)率得到了提高；蔗糖濃度在30 g/L的效果較好；在暗條件下對甘蔗嫩葉鞘進行離體培養(yǎng)，可顯著減少外植體褐化率，并有利于提高愈傷組織誘導(dǎo)率[21]。武媛麗等在研究甘蔗組織培養(yǎng)外植體的防褐化措施發(fā)現(xiàn)，在接種之前浸泡質(zhì)量濃度為0.25 g/L的Na2S2O3，也可以較有效地防止甘蔗外植體在初始培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的褐變現(xiàn)象，外植體生長狀況良好[22]。

4 遺傳改良調(diào)節(jié)PPO

前人的研究主要集中于影響褐變的因素和如何通過改變這些影響因素來減輕褐變帶來的危害方面，越來越多的人想通過遺傳改良的方法來調(diào)節(jié)PPO，減少褐變的發(fā)生。Brothaerts與Chau已克隆出蘋果中PPO的cDNA，發(fā)現(xiàn)在尚未成熟果實中及受傷組織中具有PPO的mRNA累積；當(dāng)把PPO反義基因轉(zhuǎn)進蘋果時，轉(zhuǎn)基因枝條褐變程度明顯被抑制[23]。Bachen等通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法將一段約2.0 kb的cDNA片段反向插入到馬鈴薯的染色體組內(nèi)，借助合適的啟動因子表達出反義的RNA，結(jié)果顯示塊莖中PPO活性明顯被抑制，而多酚類物質(zhì)的氧化也受到阻礙；擦破塊莖表皮，沒看到最常見的褐變現(xiàn)象[24]。Vickers等研究證實了甘蔗中PPO活性越高，蔗汁和粗制蔗糖顏色越深。他們將PPO基因的正鏈和反鏈及菠菜磷酸蔗糖合成酶SPS基因的正鏈通過基因槍法導(dǎo)入甘蔗Ql17品種，獲得了穩(wěn)定表達的轉(zhuǎn)基因株系，但大部分轉(zhuǎn)基因甘蔗的產(chǎn)量和蔗糖分比未轉(zhuǎn)化的Ql17甘蔗低，僅有1.6%的轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)量和蔗糖含量與未轉(zhuǎn)化的Ql17甘蔗相當(dāng)[25]。

5 展望

目前人們研究甘蔗的基因越來越多，希望能通過生物技術(shù)來改變甘蔗內(nèi)的基因，提高組培苗的成活率，增強甘蔗的抗性，獲得高產(chǎn)高糖的甘蔗品種，這是未來的發(fā)展趨勢，也是研究人員努力的方向。

[1]李必慶.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的哲學(xué)思考[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007（4）：43-45.

[2]賈淑平，曾睿，但衛(wèi)華，等.植物多酚藥理作用的研究及應(yīng)用[J].中國藥房，2009，20（12）：953-955.

[3]陳其斌，周重吉.甘蔗制糖手冊[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1993.

[4]Saska M,Chou CC.Antioxidant Properties of sugarcane extracts[C].Proceedings of First BiennialWorld Conference on Recent Development in Sugar Technologies,Delray Beach,Florida,2002,May 16-17.

[5]Nagai YMizutani T,Iwabe H,Araki S,etal.Physiological functions of sugarcane extracts[C].Sugar Industry Technologists 60th Annual Meeting,Tai Pei.,2001.

[6]孫曉雪.甘蔗梢中酚類物質(zhì)的提取與應(yīng)用研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2007：6.

[7]Duarte-A lmeida JM.Antioxidant activity of phenolics compounds froMsugar cane(SaccharuMofficinaruML.)juice[J].Plant Foods for Human Nutrition,2006,61:187-192.

[8]Duarte-Almeida JM.Phenolic composition and antioxidant activity of culms and sugarcane(SaccharuMofficinaruML.)products[J]. Food CheMistry,2011,125:660-664.

[9]霍漢鎮(zhèn).現(xiàn)代制糖化學(xué)與工藝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：19，98.

[10]秦廷豪，鄒宗蘭，吳才文.淺析甘蔗組培中的酚害[J].甘蔗，1997，4（2）：12-14.

[11]章文水，潘大仁，林彥銓，等.果蔗Badila花葉病莖尖脫毒技術(shù)的研究[J].甘蔗，2002，9（2）：8-14.

[12]Laukkanen H,H?ggman H,Sarikontunen-Soppela S,et al.Tissue browning of in vitro cultures of Scots pine:Role of peroxidase and polyphenol oxidase[J].Physiologia Plantarum,1999,106:337-343.

[13]Chevre A M.In vitro vegetativemultiplication of chest nut[J].JHort Sci,1983,58(1)：23-29.

[14]秦新民，羅紫娟.甘蔗組織培養(yǎng)中抗酚污培養(yǎng)基的篩選[J].廣西甘蔗，1988（1）：18-19.

[15]王敬駒，匡柏健，何新民，等.甘蔗組織培養(yǎng)與細胞誘變研究[J].甘蔗糖業(yè)（甘蔗分冊），1983（4）：11-15.

[16]許莉萍，陳如凱，薛其清.甘蔗離體培養(yǎng)的變異機理及篩選技術(shù)Ⅳ.莖尖培養(yǎng)技術(shù)的篩選[J].福建農(nóng)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1993，22（3）：280-284.

[17]賢武，王倫旺，王天算，等.甘蔗莖尖脫毒培養(yǎng)研究初報[J].廣西蔗糖，2000（4）：3-5.

[18]何明.甘蔗組織培養(yǎng)技術(shù)的研究[J].四川甘蔗，1988（1）：29-33.

[19]曾東火，林妙英，韓延南，等.甘蔗組織培養(yǎng)技術(shù)的研究[J].四川甘蔗科技，1983（4）：67-72.

[20]劉麗敏，李松，戴友銘，等.甘蔗莖尖脫毒培養(yǎng)技術(shù)研究[J].中國糖料，2009，31（2）：18-20.

[21]戴友銘，岑秀芬，韋鵬霄，等.甘蔗嫩葉鞘外植體褐變相關(guān)因子研究[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，39（2）：127-131.

[22]武媛麗，譚賢教，張樹珍，等.甘蔗組織培養(yǎng)外植體的防褐化措施[J].熱帶生物學(xué)報，2013，4（4）：313-316.

[23]BrothaertsW,Chau K.Fastapple(Malus domestica)and tobacco(Nicotiana tobacum)leaf polyphenol oxidase activity assay for screening transgenic plants[J].JAgric Food Chem,2000,48:5924-5928.

[24]BecheMCW B,Spechmann G J,V an der Linde PCG,etal.Antisense expression of polyphenol oxidase genes inhibits enzymatic browning in potato tubers[J].Biotechnology,1994,12:1101-1105.

[25]Viekers JE,Grof C P L,Bonnett G D,et al.Effects of tissue culture,biolistic transformation and introduction of PPO and SPS gene constructs on performance of sugarcane clones in the field[J].Australian Journal of Agricultural Research,2005,156(1):57-68.

Research Progress on Polyphenols in Sugarcane

TANG Yun-xian1,YANG Li-tao1,2*,YANG Liu2,LIAO Fen2,LIYang-rui1,2
(1.College of Agronomy,GuangxiUniversity/State Key Laboratory of Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, Nanning 530005;2.Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Sugarcane Research Center,Chinese Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Biotechnology and Genetic Improvementof Sugarcane,Ministry of Agriculture/Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement,Nanning 530007)

This paper reviewed the research progress on component,distribution,metabolisMof polyphenols and the pathways of reducing polyphenol pollution as well as regulation for polyphenol oxidase with genetic improvement in sugarcane tissue culture.

sugarcane;polyphenol;browning;genetic improvement

S566.1

B

1007-2624（2015）03-0062-03

10.13570/j.cnki.scc.2015.03.023

2014-12-18

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目：甘蔗脫毒健康種苗繁育技術(shù)示范（桂科攻1222009-1B）。

唐云仙（1990-)，女（壯族），廣西北海人，碩士研究生，主要研究方向：作物生理與代謝調(diào)控。

楊麗濤，女，教授，研究方向：植物生態(tài)生理和分子生物技術(shù)，E-mail：liyr@gxu.edu.cn