花生種皮顏色研究進展

吳紫萱 薛其勤 楊會 劉風(fēng)珍

摘要：花生（ArachishypogaeaL.）種皮由珠被發(fā)育而來，分三層，外表皮是一層厚壁細胞，中間層為若干層薄壁細胞，內(nèi)表皮為一層薄壁細胞。種皮色素物質(zhì)主要分布在1～2層表皮細胞內(nèi)。種皮顏色是決定花生商品和保健價值的重要性狀。本文主要對花生種皮顏色類型、不同顏色種皮的營養(yǎng)功效、種皮發(fā)育進程中的色澤變化和色素沉積、種皮顏色的遺傳以及相關(guān)基因定位等方面研究進展進行綜述，并對其未來研究進行了展望。

關(guān)鍵詞：花生;種皮顏色;色素

中圖分類號：S565.2 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2022）01-0152-05

花生又名長生果，屬豆科植物?；ㄉ俏覈饕挠土献魑锖徒?jīng)濟作物之一，也是重要的特色出口農(nóng)產(chǎn)品[1]，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要農(nóng)產(chǎn)品之一[2]。隨著人民生活水平的提高，花生用作加工食品和外貿(mào)出口的比例在逐步增加，人們對特有的種皮色澤和特有的營養(yǎng)成分需求也日益增多[3]。我國花生種質(zhì)資源豐富，籽仁種皮顏色分白、粉、紅、紫、黑等多種類型。種皮色素物質(zhì)主要分布在1～2層表皮細胞內(nèi)?；ㄉN皮除了含有多種營養(yǎng)成分外，還富含黃酮素類化合物、原花色素、白藜蘆醇、花青素等多種生理活性成分，具有清除自由基、抗癌、降血壓等作用。近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對于花生種皮顏色的形成機制，尤其是色素積累基因的研究已有多次報道。

1 花生種皮顏色差異的生化機制

花生種皮顏色的差異主要是由于種皮細胞內(nèi)黃酮和色素綜合作用表現(xiàn)的結(jié)果，淺色種皮的黃酮和色素含量較少，深色種皮花生受色素含量較高的影響使得顏色變深[4]。有研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇含量也會影響花生種皮顏色：Park等[5]發(fā)現(xiàn)紫色種皮花生的毛狀根中白藜蘆醇含量高于褐色種皮花生毛狀根中的含量。紅色花生種皮中的色素主要為黃酮類色素，黑色花生種皮中的色素主要為黃酮類色素、花色苷類色素等[6]。胡夢蝶等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在種皮的花斑著色區(qū)花翠素、矢車菊素含量高于非著色區(qū)，非著色區(qū)代謝產(chǎn)物中原花青素含量最高，使非著色區(qū)呈現(xiàn)白色。花生種皮顏色深淺和花青素含量多少有關(guān)[8]。Wan等[9]利用代謝組分析發(fā)現(xiàn)，白色種皮花生突變體相較于粉色種皮品種，其種皮的花青素和原花青素含量顯著下降。花青素在植物界中是很大一類水溶性色素，主要累積在植物細胞的液泡內(nèi)，常表現(xiàn)于葉片、花瓣、種子和果實中。黑色種皮花生的花青素含量高于其它顏色種皮的含量[10]。

2 花生種皮顏色變化及色素沉積規(guī)律

孫奇澤等[11]用量化顏色的3個指標(biāo)（L、a、b）分析了不同種皮顏色花生籽仁的變化規(guī)律：L表示亮度，其值越大，說明物體顏色越偏向白色，其值越小，顏色越偏向黑色;色度a從零開始，其值由小變大反映物體的顏色從白色變?yōu)榧t色;色度b從零開始，其值由小變大反映物體的顏色從白色變?yōu)辄S色。隨著籽仁的發(fā)育，白花生種皮的L值變化較小，在果針入土25天時，亮度值達到最大，隨后呈現(xiàn)下降趨勢;粉紅色花生種皮的亮度值變化也較小，呈現(xiàn)出先升后降再升高的規(guī)律;黑花生和紫花生在果針入土30天前亮度下降極為顯著，隨后黑花生的亮度呈現(xiàn)略微上升的趨勢，紫花生的亮度呈現(xiàn)略微下降的趨勢。在整個籽仁發(fā)育期間，種皮色度a 值變化范圍較小，黑花生和紫花生種皮色度a 值隨種皮發(fā)育時長呈現(xiàn)上升趨勢，即顏色逐漸變深的過程。黑花生色度b值在種皮發(fā)育期間不斷增大，且小于白花生和粉紅色花生。在植株發(fā)育過程中，黃酮含量在花生中進行不同程度的轉(zhuǎn)移，白色花生種皮中的黃酮含量在整個發(fā)育期內(nèi)都很少，黃酮向籽粒的轉(zhuǎn)移量較小，向葉片的轉(zhuǎn)移量較多;紫花生、黑花生和粉紅色花生種皮的黃酮含量都顯著大于白色花生種皮。在黃酮向莢果轉(zhuǎn)移的量上，粉紅色花生最多，其次是紫花生和黑花生。在種皮色素含量的變化上，白色花生種皮中幾乎沒有色素，黑花生和紫花生的色素生成速率和色素含量都明顯高于白花生和粉紅色花生[4]。

3 不同顏色花生種皮的營養(yǎng)功效

花生種皮具有較高的營養(yǎng)利用價值。張煊等[12]研究表明白藜蘆醇具有保健功能，在抗癌、抗氧化、增強免疫力等方面作用顯著。杜睿[13]研究表明花生紅色種皮中的低聚原花色素具有抗氧化性，其抗氧化性與其加入量呈正相關(guān)。在相同濃度條件下，花生紅色種皮的低聚原花色素的還原能力，對羥自由基、亞硝酸根離子的清除效果高于抗壞血酸，同時對亞油酸的自動氧化起到很好的抑制作用。紅皮花生對多種出血癥均有較好的療效，如血友病、類血友病等。黑花生仁的油脂和粗蛋白含量均較高，種皮易褪，且有較高的利用價值[14]?；ㄇ嗨卦谏钌ㄉN皮中含量高，具有抗氧化作用[15]，可以清除體內(nèi)的自由基，減少細胞應(yīng)對氧化作用的損傷，可以通過多途徑控制炎癥因子的表達，從而有效地抑制腫瘤的發(fā)生[16]。Garcia等[17]研究表明可以通過食用含花青素的食品來改善抗氧化狀態(tài)以降低患心腦血管疾病風(fēng)險。杜蕾[18]研究表明黑花生衣原花青素能有效清除羥自由基、超氧陰離子自由基，調(diào)節(jié)血脂水平。張淑娟[6]研究表明黑色花生種皮的色素對超氧陰離子自由基、過氧化氫和羥自由基的清除能力較好，清除作用與濃度呈量效關(guān)系，并在一定情況下黑色花生種皮的色素可以降低血脂水平，降低動脈粥樣硬化的危險性，且黑花生種皮中的色素抗氧化活性能力略小于抗壞血酸。

4 花生種皮顏色的遺傳及相關(guān)基因的定位

一些研究認(rèn)為花生種皮顏色受一對基因控制，另一些研究認(rèn)為受兩對或三對基因控制。Branch等[19]研究證明，雜交親本間種皮的深紅色與棕黃色或粉紅色的差異是由單基因控制，親本間種皮的紅色性狀與深紅色性狀的差異是由兩對基因控制。胡曉輝等[20]研究表明種皮顏色的差異受一對不完全顯性的主效基因控制，這與洪彥彬等[21]利用構(gòu)建的珍珠黑與粵油13雜交后代的研究結(jié)果即花生深紫色種皮顏色性狀受一對不完全顯性主效基因控制相一致。莊偉建等[22]通過對構(gòu)建的白皮1號與粵油116、汕油71和泉花10號雜交后代的研究發(fā)現(xiàn)，花生白色種皮由兩對隱性基因控制。薛其勤等[23]以山花15號與中花12號為親本構(gòu)建了RIL群體，對其研究得出花生種皮中花青素含量的最適模型為兩對主基因控制的加性—上位性效應(yīng)主基因遺傳模型。

趙鈺涵[24]利用花生黑色種皮品種YH29與粉種皮品種WH10雜交并構(gòu)建了定位F2群體，結(jié)果顯示，黑色種皮∶中間型∶粉紅種皮為1∶2∶1，符合單基因控制的分離比，利用QTL-seq、BSR和SNP-Array等方法，將和花青素累積相關(guān)的基因定位在花生10號染色體108～112.7Mb區(qū)間內(nèi);并在70～109Mb內(nèi)篩選到一個與黑種皮性狀緊密連鎖的SSR 標(biāo)記pTsaSSR107.16[25]，這與Shirasawa等[26]整合的花生遺傳圖譜上的結(jié)果一致，即相關(guān)控制黑色種皮的基因序列位于花生10號染色體上。Zhao等[27]鑒定了A10染色體上調(diào)控花生紫色種皮的主基因AhTc1，該基因為轉(zhuǎn)錄因子基因AhTC1R2R3-MYB。Zhuang等[28]將控制紅色種皮的單個顯性基因定位到3號染色體上0.905cM區(qū)域內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)候選基因WRKYs、MYB、bHLH家族基因和細胞色素450基因與花青素生物合成有關(guān)。Zhang等[29]根據(jù)種子圖像中的紅色、綠色和藍色值來確定種皮顏色，發(fā)現(xiàn)23對控制花生種皮顏色值的上位性QTL，其中5對上位性QTL調(diào)節(jié)紅色值，10對上位性QTL調(diào)節(jié)綠色值，并在3號染色體116.78～118.94Mb間檢測到穩(wěn)定一致位點，區(qū)間內(nèi)有兩個編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子基因，一個調(diào)控類黃酮合成基因。

5 花生種皮花青素積累相關(guān)的基因

花青素生物合成代謝途徑是類黃酮途徑的一個分支途徑，其合成途徑包括苯丙氨酸解氨酶、查爾酮合成酶、查爾酮異構(gòu)酶、二氫黃酮醇4-還原酶、類黃酮-3′羥化酶、花色苷合成酶和類黃酮3-O-糖基轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵酶。李海芬等[30]分別提取金花39、粵油7號、珍珠紅和珍珠黑共4種顏色花生種皮的RNA，發(fā)現(xiàn)二氫黃酮醇4-還原酶基因、類黃酮-3′羥化酶基因、類黃酮3-O-糖基轉(zhuǎn)移酶基因在紅色種皮中表達量較高，且前兩者在紅色品種的種子全發(fā)育期一直保持較高表達水平。在種皮顏色較深的花生品種中，花色苷合成酶基因高表達?；ㄇ嗨卦诓闋柾悩?gòu)酶基因、查爾酮合成酶基因和二氫黃酮醇4-還原酶基因的促進下形成，使種皮顏色變深[18]。Wan等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)黃酮醇合成酶和二氫黃酮醇4-還原酶基因的競爭性表達導(dǎo)致黃酮醇和花青素積累的改變。李海芬等[30]以黑色、深紅色、淺紅色和白色共4種典型種皮顏色花生品種為材料，克隆出花生苯丙氨酸解氨酶基因、查爾酮合成酶基因、查爾酮異構(gòu)酶基因、二氫黃酮醇4-還原酶基因、類黃酮-3′羥化酶基因、花色苷合成酶基因和類黃酮3-O-糖基轉(zhuǎn)移酶基因共7個花青素合成相關(guān)基因的全長。Xue等[31]研究表明類黃酮生物合成途徑中的苯丙氨酸解氨酶基因、肉桂酸4-羥化酶基因、查爾酮合酶基因、黃烷酮3-羥化酶基因、黃烷酮3′-羥化酶基因、二氫黃酮醇4-還原酶基因、花青素合成酶基因、無色花青素還原酶基因和花青素還原酶基因在早期高水平表達，在花青素積累中起重要作用。Wan等[32]研究表明，類黃酮途徑的生物合成基因（苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸4-羥化酶基因、查爾酮合成酶基因和查爾酮異構(gòu)酶基因）表達的變化是花生種皮色素積累的原因。苯丙氨酸解氨酶基因的表達水平與色素積累度一致，其表達水平與色素沉著度成正比，4-香豆酸CoA連接酶基因的表達水平也與色素沉著度成正比，查爾酮異構(gòu)酶基因的表達模式與花生種皮色素的積累一致，而花青素還原酶基因和無色花青素還原酶基因的表達呈現(xiàn)早期表達水平較高、后期表達水平逐漸下降的特征。趙鈺涵等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在花青素調(diào)控相關(guān)途徑中，黑花生中編碼4-香豆酸-CoA連接酶的基因顯著下調(diào)，使木質(zhì)素合成途徑的中間體減少，同時編碼咖啡酸3-O-甲基轉(zhuǎn)移酶的基因也顯著下調(diào)，編碼木質(zhì)素合成酶的基因下調(diào)?？Х人?-O-甲基轉(zhuǎn)移酶和木質(zhì)素合成酶在木質(zhì)素合成的多個過程中起催化作用，說明木質(zhì)素合成過程中編碼合成木質(zhì)素相關(guān)酶的基因都顯著下調(diào)，使木質(zhì)素的積累減少，令更多的底物流向花青素合成途徑，最終讓花青素積累量顯著增多。Xia等[33]研究也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)與木質(zhì)素生物合成相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在黑色種皮花生中下調(diào)。黑花生品種YH29花青素生物合成途徑中5種關(guān)鍵酶（苯丙氨酸解氨酶、查爾酮合成酶、二氫黃酮醇還原酶、無色花青素雙加氧酶、類黃酮3-O-葡糖基轉(zhuǎn)移酶）的編碼基因均上調(diào)表達，而在與花青素生物合成相競爭的其它代謝途徑中編碼相關(guān)酶的基因表達下調(diào)，這可能就是使其呈現(xiàn)黑色種皮表型的關(guān)鍵因素[24]。

植物花青素生物合成基因的表達受多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。番茄中控制花青素積累的主要物質(zhì)是MBW 三元復(fù)合物，即MYB-bHLH-WD40，MYB轉(zhuǎn)錄因子在其中起主要作用[34]，花椰菜[35]和甘藍[36]中亦如此。在雙子葉植物擬南芥中，MYB和HY5都可以調(diào)控相關(guān)花青素合成相關(guān)基因[37，38]。在黑種皮和粉紅種皮花生品種進行的轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)，MYB-bHLH-WD40轉(zhuǎn)錄復(fù)合物在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控花青素代謝途徑，其中黑種皮花生中上調(diào)表達量最明顯的兩個MYB轉(zhuǎn)錄因子是與花青素合成相關(guān)的R2R3-MYB（起關(guān)鍵作用），還有一個HY5蛋白在黑花生中表達上調(diào)[10]。Wan等[32]在比較開花后40天和開花后20天的種皮轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)，有4個bHLH基因的表達上調(diào)，4個編碼MYB轉(zhuǎn)錄因子的基因表達上調(diào)，1個編碼WD40的基因表達上調(diào);在開花后60天與開花后20天的種皮轉(zhuǎn)錄組比較中，編碼6個bHLHs、4個MYB轉(zhuǎn)錄因子和4個WD40的基因表達增加。Xue等[31]利用中花15號和山花12號作為材料，比較了花生R4和R7兩個發(fā)育時期的種皮轉(zhuǎn)錄組，R4時期開始沉積色素，R7時期著色基本完成;在種皮發(fā)育過程中，山花15號含37個bHLH差異表達基因，其中8個基因在R7時期高度上調(diào);中花12號中檢測到59個bHLH差異表達基因，R7發(fā)育時期有15個基因上調(diào)，44個基因下調(diào)。Xia等[33]發(fā)掘的3個與AtPAP1和AtPAP2高度同源的R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子J3K16K、ADTW6E和1LQ424在黑色種皮花生中顯著上調(diào);兩個與AhTT8同源、調(diào)節(jié)擬南芥花青素的重要bHLH轉(zhuǎn)錄因子也被鑒定，這兩個bHLH轉(zhuǎn)錄因子在黑色種皮花生中的表達量明顯低于在粉色種皮花生中的表達量。Wan等[39]鑒定出一個R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子c33560_g1，其在花生種皮色素沉著中有潛在作用。Wan等[9]對花生色素調(diào)控的研究表明，花青素的生物合成主要由AtMYB111同源物通過早期生物合成基因調(diào)控，這是花生種皮色素的獨特調(diào)控模式。

6 展望

目前，針對花生多色種皮的研究多數(shù)為花生種皮不同色彩的成分、提取和功效作用，有關(guān)特殊種皮顏色花生的雜種優(yōu)勢研究也有部分報道[3]。未來可以系統(tǒng)地研究不同顏色種皮花生的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀、抗逆性狀等綜合性狀，為生產(chǎn)上提供高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的彩色花生。國內(nèi)外對黑色種皮花生的研究多集中在種皮色素提取和色素穩(wěn)定性等方面，對于花生種皮顏色的遺傳機制也有報道，但有關(guān)調(diào)控花生種皮顏色的基因研究、遺傳和分子機制研究相對較少?？刂苹ㄉN皮顏色基因的精準(zhǔn)定位有待開發(fā)，控制花生種皮顏色深淺的基因———比如花青素積累相關(guān)基因的精細定位也有待研究發(fā)掘。近年來陸續(xù)有相關(guān)報告指出，花青素具有超強抗氧化力，較傳統(tǒng)維生素C、維生素E抗氧化能力高出數(shù)十倍，且具有可預(yù)防心血管疾病、延緩細胞老化、改善視力及抗癌等功能，因此富含花青素種皮的花生，未來潛力不容小覷[40]。所以需要運用現(xiàn)有的分子標(biāo)記，或開發(fā)其它不同類型的穩(wěn)定的SSR、SNP等分子標(biāo)記，來進行相關(guān)基因的定位，為深入研究花生種皮花青素合成的分子機理及培育高花青素含量的花生新品種提供參考?，F(xiàn)有的黑種皮花生品種較少，和常規(guī)品種的產(chǎn)量相比偏低。因此，想要提高黑花生品種的產(chǎn)量來滿足市場需求，開發(fā)與種皮花青素合成基因連鎖的分子標(biāo)記迫在眉睫[41]。

綜上所述，關(guān)于花生不同顏色種皮的研究已開展一些，但是還有更詳細的工作需要深入開展。