光照對植物多酚類物質代謝調控的研究進展

付博，梁俊陽，韓龍洋，張蒙蒙，李耀光，李林林，王靜

(1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，河南 鄭州450002；2.吉林煙草工業(yè)有限責任公司，吉林 長春 130033；3.河南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450016；4.湖北中煙工業(yè)有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

植物多酚是一類廣泛存在于植物體內的具有多元酚結構的次生代謝物，主要在植物的根、葉、殼、果肉及種皮中，其含量僅次于纖維素、半纖維素和木質素[1]。植物多酚種類繁多，多數(shù)由苯丙氨酸轉化而來，主要包括類黃酮、酚酸、姜黃素、木酚素、芪類化合物和單寧[2]。其中，類黃酮物質又是植物次生代謝最主要的一類，被認為是整個植物界中最大、分布最廣的一類植物成分，類黃酮物質主要有花青素(紅色至紫色色素)、黃酮醇(無色至淡黃色色素)、黃烷醇(氧化后變?yōu)樽厣臒o色色素)和原花青素等[3]。當植物遭受外界逆境脅迫時，植物體內隨之積累大量類黃酮等多酚類物質來抵御傷害。此外，大量研究表明，植物多酚具有抗氧化[4]、抗菌[5]、延緩皮膚衰老[6]、降低血糖、擴張血管以及保護腦血管等作用[7]，還可以作為天然甜味、天然色素及天然的食品防腐劑等[5]。

光照是影響植物生長發(fā)育重要的環(huán)境因子之一，它以環(huán)境信號的形式影響植物的光合作用、生長發(fā)育[8]、形態(tài)結構[9]、初生代謝、次生代謝[10]及其他生理特性[11]。光照對植物的影響主要體現(xiàn)在光質、光照度及光周期3個方面。不同光質(白光、紫外光、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光等)[12]及不同的白光照射[13]直接影響植物的生長發(fā)育和結構特征。例如，藍光有利于葉綠體的發(fā)育，紅、藍、綠復合光有利于葉面積的擴展，而紅光更有利于光合產(chǎn)物的積累，不同光質對不同植物、不同組織器官葉綠素積累的影響不同[12]。世界上絕大多數(shù)植物擁有自己的生物節(jié)律鐘，光周期的改變影響植物開花及次生代謝等[8]，所以光因素對提高植物體內重要次生代謝產(chǎn)物的影響不可忽視[14]。

1 光照對植物多酚類物質代謝調控研究現(xiàn)狀分析

1.1 光周期對植物多酚類物質代謝的影響

光周期影響植物的開花時間、生長發(fā)育和品質形成[15]。一些花中花青素的生物合成受光周期調控的影響。不同紅藍光模式光照周期對紫葉生菜的研究中，發(fā)現(xiàn)紅藍光交替和交錯照射均顯著增加了生菜花青素和總酚的含量[16]。研究表明，光照可以增加花青素的濃度，尤其是果皮中的花青素濃度[17-18]。

短光照紫外線UV-B的處理，對提高大豆芽苗菜下胚軸中總酚類物質積累是有利的[19]。每天用UV-B照射8 h處理下胚軸，發(fā)現(xiàn)下胚軸中總酚含量均高于黑暗培養(yǎng)和其他光處理[20]。與光周期為12 h/12 h(晝/夜)光照12 d相比，光周期為20 h/8 h(晝/夜)光照4 d的條件下，高紅光比例光質顯著提高了綠葉生菜總酚物質含量[21]；隨著紅光比例的增加，紫葉生菜和綠葉生菜總酚相對含量會有所降低[22]。在研究不同光周期對苦蕎芽菜的影響，發(fā)現(xiàn)芽菜花青素含量在光周期12 h/12 h(晝/夜)萌發(fā)2 d時最高，蘆丁含量在光周期16 h/8 h(晝/夜)處理4 d時最高[23]。

芥藍(BrassicaalboglabraL.)在不同的光周期照射下，隨著光照時長時間的增加，芥藍多酚類物質含量也會增加；并且不同的光質下，白光長光照比紅藍光光照條件更有利于芥藍多酚類物質含量的積累[24]。24 h光照時間的處理，生菜當中的可溶性糖和總酚的含量有顯著提高[25]。還有研究表明，獨行菜(LepidiumsativumL.)在24 h光照時間長度下，總黃酮產(chǎn)量相比較其他處理要高[26]。SONG等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在1/4霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，生菜多酚物質的含量隨光周期的增加先上升后下降，而在1/2和3/4霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)下，隨著光周期的延長，多酚物質含量均呈下降趨勢。在對蕹菜的研究中，與其他光周期處理相比,光周期為12 h/12 h(晝/夜)的處理顯著提高了蕹菜可溶性蛋白、Vc、總酚等品質顯著增高[28]。在光周期為14 h/10 h(晝/夜)時，人參菜葉中的類黃酮物質、總酚及游離的氨基酸含量最高，品質最佳[15]。

綜合研究發(fā)現(xiàn)，光周期對植物多酚的含量具有顯著的影響。對于不同植物，適宜多酚類化合物的積累的光周期是不同的；對于同種植物，不同的光質條件下光周期也會影響植物多酚的積累。

1.2 光照度對植物多酚類物質代謝的影響

光照度不僅影響植物的光合作用及生長發(fā)育，也影響植物體內酚酸等次級代謝產(chǎn)物的合成[29-30]。研究表明，東北紅豆杉的幼苗隨著光照度的增大，類黃酮指數(shù)和花青素指數(shù)呈升高趨勢[31]。光照度增大對植物體內黃酮類化合物的積累是有利的[32]，甚至可以改變異黃酮的組成[33]。LIANG等[34]用遮陰方法研究光照度對陰生植物角質羊草淫羊藿中幾種黃酮類成分的影響，發(fā)現(xiàn)其黃酮化合物總量在高光照度下較高。銀杏葉片在生長前期，光照度是影響類黃酮化合物含量的主要因素[35]。雪蓮的愈傷組織培養(yǎng)[36]與絞股藍細胞培養(yǎng)[37]試驗發(fā)現(xiàn)，黑暗條件下不利于黃酮類化合物的形成，表明光照度可以影響黃酮類物質的形成。通過對蒲公英的不同遮陰處理，得出透光率在100%的自然光照度下，總黃酮含量最高[38]。根據(jù)NEUGART等[39]的研究，發(fā)現(xiàn)在溫室下強光和弱光條件下芥蘭(Brassicaoleraceavar.sabellica)中黃酮類化合物，在處理12周以后，強光處理總黃酮含量高于弱光。王加真等[40]研究發(fā)現(xiàn)，不同的光照度對植物多酚有不同的影響，光照度較高時顯著增加了茶葉的茶多酚含量，而較低光照度下茶葉氨基酸含量、多酚類物質含量明顯下降。

研究表明，強光能正調控花青素生物合成途徑結構基因和調節(jié)基因的表達[41]。在對菊花的研究發(fā)現(xiàn)，強光照射后通過上調相關基因的表達量來促進花青素苷的合成進而提高花色深度；而遮光處理，對菊花的著色有抑制作用[42]。KOYAMA等[43]在研究赤霞葡萄珠果發(fā)育時發(fā)現(xiàn)，與遮陰葉片相比完全暴露在日光下的葡萄果黃酮醇的含量最高。在陽光直射下生長的越橘葉片中，除了原花青素外，其他所有類黃酮的含量都有所增加[44]。然而，對臺灣金線蓮的研究發(fā)現(xiàn)，總黃酮的含量隨光照度的增加而有所減少，光照度超過一定范圍后，黃酮的積累會受到抑制[45]。

綜上所述，光照度的高低會影響植物多酚的合成。大多數(shù)植物在高強光照射下，多酚的含量會增加；在弱光下，會降低多酚類物質的含量。但有的植物組織中多酚的含量并不是隨著光照度的增加而無限提高，而是存在一個適宜的光照度。

1.3 光質對植物多酚類物質代謝的影響

光質是影響植物種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、庇蔭反應、開花和衰老等生命活動和生理代謝反應的重要調控因子[46]，一方面可作為能量物質經(jīng)光合色素吸收而影響光合作用的光反應階段，另一方面可被不同的光受體感知從而發(fā)揮光信號作用，進而影響植物的生長發(fā)育及應對逆境脅迫的抗性[47-48]。

目前已經(jīng)被鑒定主要有4種光受體，分別是光敏色素、隱花色素、向光素紫外光受體。接收光譜范圍從UV-B至遠紅光波段[49-50]。光敏色素Pr形態(tài)吸收紅光轉換為具有生物活性的Pfr形態(tài)，而遠紅光又可以使Pfr轉換回Pr。隱花色素和向光素均能夠感受藍光和UV-A[51]，并且隱花色素和向光素能調控植物的次生代謝，比如調節(jié)黃酮的代謝[52-53]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)aPHOT2基因過表達能夠增加草莓中花青素的含量[54]，而敲除FaPHOT2基因表達則降低花青素的含量。也有研究表明，隱花色素基因的超表達能夠促進西紅柿中花青素的積累[52]。不同的光質觸發(fā)不同的光受體，進而會影響植物的生長發(fā)育、光合特性及次生代謝等。近年來，研究光質對植物次生代謝的影響主要集中在紅光、遠紅光、藍光和紫外光。

1.3.1 紅光與遠紅光對植物多酚類物質代謝的影響 紅光和遠紅光不同處理竹葉蘭后，竹葉蘭的類黃酮和總酚的含量降低[55]。在紅光處理下，刺五加葉中總黃酮含量上升，而莖中的總黃酮含量降低，根中的總黃酮含量沒有明顯變化[56]。紅光會抑制植物節(jié)間伸長，延遲花分化，但是花色素苷和葉綠素的含量增加[8]。茄皮在紅光照射下，類黃酮含量顯著高于其他處理[57]。在純紅光照射下，可以促進紫背花葵中花青素的積累[58]。

不僅紅光對植物多酚的合成和積累有所影響，而且紅光(R)和遠紅光(FR)的比值對植物的次生代謝產(chǎn)物也有影響。低比例E(R)∶E(FR)照射下，番茄花青素的合成受到嚴重抑制，但高E(R)∶E(FR)比例下生長的番茄花青素卻正常合成。ALOKAM等[59]研究了相同環(huán)境條件下不同E(R)∶E(FR)比值下長柄星天牛高山植物與草原植物花青素積累的差異，發(fā)現(xiàn)高E(R)∶E(FR)條件下草原植物的花青素水平顯著高于高山植物。在低E(R)∶E(FR)條件下，高山和草原植物的花青素含量基本相同。TEGELBERG等[60]利用高效液相色譜分析，發(fā)現(xiàn)遠紅光照射比紅光下白樺葉片酚酸含量高。紫外誘導的黃酮醇、山奈酚、槲皮素和綠原酸的生成未受E(R)∶E(FR)比例的影響。

1.3.2 藍光對植物多酚類物質代謝的影響 與紅光和遠紅光相比，藍光使幼苗生長健壯，根系發(fā)達，生物量積累且有利于多酚化合物、黃酮類物質、花色素苷等活性成分的積累[55,57,61]。郭阿瑾等[55]研究結果表明，藍光可促使竹葉蘭體內抗氧化酶含量增加，提高活性氧清除能力和總抗氧化能力。LIU等[62]發(fā)現(xiàn)藍光處理顯著增加豌豆幼苗中綠原酸、沒食子酸和阿魏酸等酸的含量。用藍光和綠光對青錢柳葉處理后酚類含量及抗氧化活性得到提升[63]。李亞華等[57]采用發(fā)光二極管來研究光質對茄子品質的影響，發(fā)現(xiàn)藍光處理下，茄子果肉中花青素含量顯著的提高，但總黃酮和總酚產(chǎn)量顯著降低。藍光連續(xù)照射顯著提高大豆芽苗中黃酮類化合物的含量[64]。這些研究僅在光質對總酚含量和抗氧化能力的變化層面，尚未涉及酚類物質合成相關酶活性及其基因表達在光質調控酚類物質積累中的作用機制。

不同波長的藍光處理金線蓮(AnoectochilusformosanusHayata)，其次生代謝物黃酮化合物的含量均高于對照組[65]。付博[66]前期對煙草的研究表明，與紅光、遠紅光和紫外處理相比，藍光照射下已鑒定的黃酮類物質中黃酮甲基衍生物含量最高。生菜在遠紅光和藍光分階段補光照射后，生菜的抗氧化能力、類黃酮含量、多酚含量比對照紅白光顯著增加[67]。在長光照處理下，在櫻桃蘿卜肉質根中檢測到多酚含量均顯著高于同時期其他光質光周期處理[68]。光質對草莓不同基因型的花青素合成的研究中，發(fā)現(xiàn)在開花后25 d時，藍光處理的花青素含量均高于其他處理[69]。

XU等[70]發(fā)現(xiàn)，藍光能夠促使草莓的花青素含量顯著增加，并且上調苯丙烷和黃酮代謝途徑相關酶的活性，包括G6PC (glucose-6 phosphatase)、PAL (phenylalanine ammonialyase)、C4H (cinnamate-4-hydroxylase)、4CL (4-coumarate:coenzyme A ligase)、CHS (chalcone synthase)、(flavanone 3-hydroxylase)、DFR (dihydroquercetin reductase)、ANS (anthocyanidin synthase)和UFGT (UDP-glucose :flavonol 3-O-glucosyltransferase)。此外，藍色LED光處理也能促進葡萄果實花青素的積累[71]。

1.3.3 紫外光對植物多酚類物質代謝的影響 UV-B輻射作為一種逆境因子，能夠促進植物進行次生代謝，刺激植物組織內次生代謝物質如酚類和類黃酮的累積[72]。酚類物質能夠吸收UV-B，使葉片細胞能夠在紫外光穿透葉片表皮時將其過濾，到達葉片內部的UV-B會減弱，這些是植物保護自身免受太陽光中高強度的紫外光傷害的重要機制[73]。植物在酚類化合物，尤其是類黃酮和羥基肉桂酸合成和積累方面對UV-B輻射表現(xiàn)出極強的抵御作用[74]。

許多研究表明，涉及紫外線輻射對次生代謝的影響，特別是類黃酮[75]。3種濕地植物葉片在UV-B照射下，類黃酮含量在高輻射處理下先增加后降低，低輻射處理持續(xù)增加，且高輻射處理顯著高于低輻射處理、低輻射處理顯著高于對照[76]。在紅藍照射條件下增加不同強度的UV-B照射，隨著紫外強度的增加，花青素和總酚含量顯著增加[77]。植物受到UV-B照射后，體內的酚類化合物含量會上升，但是在長時間的照射下，會降低植物的光合作用，最終多酚類化合物又會降低[78]。

UV-B調控酚類物質合成的基因大致可以分為兩大類：直接編碼酚類代謝途徑所需酶的結構基因和能減弱或增強這些酶含量與活性的調控基因[79]。LIU等[80]發(fā)現(xiàn)UV-B照射能夠增加葡萄當中黃酮醇含量，特別是槲皮素和山奈酚糖苷衍生物的含量。另外，在自然光中補充UV-B輻射可以增加油桃(Prunuspersica)表皮的花青素含量，并且上調類黃酮合成基因PpDFR和PpUFGT以及轉錄因子PpMYB10基因的表達[81]。而在缺少UV-B輻射的情況下葡萄黃酮含量顯著降低，并且降低了VvFLS4基因的表達水平。紫外線輻射對多酚類物質的影響主要是由于紫外線可影響多酚底物合成途徑中關鍵酶活性和相關基因表達。UBI等[82]研究發(fā)現(xiàn)UV-B能夠提高蘋果果皮中查爾酮合酶、黃酮-3-羥化酶、二氫氟醇-4-還原酶、花青素合成酶和UDP-葡萄糖：黃酮-3-O-葡萄糖轉移酶關鍵基因的表達水平。UV-B 輻射提高了蘋果中類黃酮途徑中CHS、DFR、F3H、LDOX、UFGT基因的表達[82]，誘導黃酮類化合物代謝相關酶產(chǎn)生正響應。

2 問題

綜合以上研究，發(fā)現(xiàn)大多研究是關注多酚類物質生物合成受光質、光照度及光周期的影響，很少有人研究光照對植物多酚類物質代謝的調控機制。FU等[83]研究發(fā)現(xiàn)，高比例的UV-A和藍、紫光能夠促進黃酮和黃酮糖苷衍生物在煙草(NicotianatabacumL.)中的積累，卻抑制黃酮甲基衍生物的積累。目前，已知光受體感受周圍光質環(huán)境后通過COP1蛋白調控HY5的合成或降解；而HY5能夠激活R2R3MYB轉錄因子，R2R3MYB轉錄因子與結構基因啟動子中順式作用元件(MRE)結合，進而調控黃酮合成基因和UFGT基因的轉錄。但是利用植物啟動子分析數(shù)據(jù)庫PLACE和plant CARE，分析黃酮甲基轉移酶基因 NtFOMT啟動子的順式作用元件，發(fā)現(xiàn)該啟動子中并不包含MYB的識別元件(MRE)。究竟哪些響應光質調控的順式作用元件參與光質調控黃酮甲基化的反應還不清楚，需要系統(tǒng)研究光照調控多酚類物質的響應機制。

3 展望

光作為植物正常生長發(fā)育的環(huán)境因子，對多酚類物質代謝起到非常重要的影響。植物在不同的光照條件下，可以調控多酚類物質的合成和積累，而且不同光質下，多酚類化合物合成的種類不同、其合成的含量也有所差別。多酚類物質代謝途徑的調控是環(huán)境和基因共同作用的結果。大量研究表明，植物多酚類物質的生物合成對光質比較敏感，特別是波長較短的藍光和紫外光能夠上調黃酮生物合成基因的表達，并促進黃酮化合物在植物體內的積累。此外，光照調控植物次生代謝的機制的調控并不是簡單的轉錄因子及順式作用元件對光質、光照度及光周期的響應，而是植物激素參與其中的非常復雜的信號轉導機制。因此，系統(tǒng)分析光照對多酚類物質代謝調控途徑，為今后通過不同光質、不同照射時間和強度改良調控多酚類物質的合成基因，為來提高植物體內多酚類物質的含量奠定基礎。