楊巧鋒,李長林,裴忺,龔林忠,金莉,王俊芳,方林川
(1. 武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,湖北武漢 430065;2. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹茶葉研究所,湖北武漢 430209;3. 山東省葡萄研究院/山東省釀酒葡萄與葡萄酒技術(shù)創(chuàng)新中心,山東濟(jì)南 250100)
有機(jī)酸是果實(shí)代謝的重要產(chǎn)物之一,其構(gòu)成組分及含量的差異與水果風(fēng)味和品質(zhì)有著密切關(guān)系[1]。果實(shí)中存在的有機(jī)酸多種多樣,包括蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、草酸等,但果實(shí)往往以1~2種有機(jī)酸為主要積累目標(biāo)。在葡萄果實(shí)中,酒石酸(2,3-二羥基丁二酸,Tartaric acid,TA)占有機(jī)酸含量的54.87%~69.78%,蘋果酸、檸檬酸、草酸分別占有機(jī)酸含量的25%、10%、5%左右[2-3]。酒石酸作為葡萄果實(shí)中的主要有機(jī)酸,不僅影響漿果的風(fēng)味,也對葡萄酒的顏色、口感、微生物穩(wěn)定性和陳釀潛力起著重要作用[4-5]。
酒石酸不僅在葡萄屬植物和天竺葵屬植物中富集,也存在于其它水果如荔枝、藍(lán)莓和一些柑橘類果實(shí)中,但在模式植物擬南芥中未見積累[6-7]。L-酒石酸是植物中酒石酸的主要形式,它的對應(yīng)異構(gòu)體D-酒石酸僅能在一些微生物種類中形成。葡萄作為典型的酒石酸型水果,葡萄汁的pH值主要取決于漿果中的酒石酸含量。更為重要的是,酒石酸作為葡萄酒“活力”的主要來源,平衡了酒精對味蕾的影響,并且有助于降低葡萄酒的pH值,使葡萄酒能夠保存一定的時間,這是基于酒石酸特有的強(qiáng)酸性,在發(fā)酵過程中不易被代謝的特性[8-9]。然而,隨著全球氣溫的升高,葡萄酒的保存和貯藏出現(xiàn)困難,這在很大程度上是由于葡萄的酸度受氣候影響。對不同葡萄品種的眾多研究均表明,氣候變暖會導(dǎo)致葡萄酸度下降,尤其是酒石酸含量顯著降低[10-11]。此外,酒石酸作為酸味劑和抗氧化劑具有很高的經(jīng)濟(jì)價值,廣泛用于食品和釀酒工業(yè)[12-13]。因此,關(guān)于葡萄酒石酸合成及調(diào)控的研究對葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
酒石酸是抗壞血酸(Vc)分解代謝的產(chǎn)物[14-16],但它在植物界的分布有限。與其它果實(shí)有機(jī)酸研究相比,酒石酸在植物代謝途徑中的功能及其合成途徑還所知甚少。隨著基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)和全基因組分析工具的發(fā)展,酒石酸代謝相關(guān)的研究將會取得突破。因此,本文旨在綜述目前有關(guān)葡萄酒石酸生物合成途徑的酶、中間產(chǎn)物及其調(diào)控過程的研究進(jìn)展,以期為酒石酸代謝的深入研究提供參考。
L-酒石酸是一種四碳有機(jī)酸,它在葡萄漿果發(fā)育的早期階段合成,在葡萄開花后4周之內(nèi)迅速積累,且在之后的發(fā)育過程中保持代謝穩(wěn)定,未成熟果實(shí)中酒石酸的含量高于成熟果實(shí)[7,17]。早期的研究表明,酒石酸在葉片中合成,再轉(zhuǎn)運(yùn)至漿果中進(jìn)行積累,然而Hale[18]證實(shí)漿果也是酒石酸合成的場所。酒石酸的含量與漿果的大小密切相關(guān),且在不同品種之間差異很大。對葡萄漿果生長發(fā)育過程中酒石酸分布變化的研究表明,在果實(shí)發(fā)育早期靠近果皮的果肉外側(cè)酒石酸含量最高,而在轉(zhuǎn)色之后,果肉外側(cè)酒石酸濃度迅速下降,而在其它組織中基本保持不變[19]。
對302份成熟葡萄樣品有機(jī)酸組分特征及含量分布規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),栽培品種葡萄的酒石酸含量高于蘋果酸,大多數(shù)野生種葡萄中蘋果酸含量高于酒石酸,中國野生種葡萄也屬于高蘋果酸類型[3,20]。對不同種群葡萄果實(shí)中有機(jī)酸含量的比較表明,東亞種群葡萄果實(shí)的有機(jī)酸含量均高于其他種群,尤其是酒石酸含量顯著高于其他種群[3]。
酒石酸的合成分為兩個階段:上游抗壞血酸合成階段,下游抗壞血酸分解即合成酒石酸階段。在高等植物中酒石酸的合成有三條途徑,分別稱為抗壞血酸C4/C5途徑、抗壞血酸C2/C3途徑和D-葡萄糖酸C4/C5途徑(圖1)。抗壞血酸C4/C5途徑是葡萄中酒石酸合成的主要途徑,在該代謝途徑中,抗壞血酸首先轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古洛糖酸,之后還原生成L-艾杜糖酸,再氧化生成六碳化合物5-酮基-D-葡萄糖酸。這個六碳中間體被未知的酶裂解生成一個四碳化合物,該中間產(chǎn)物即酒石酸半醛,并最終氧化生成酒石酸。在抗壞血酸C2/C3通路中,抗壞血酸在2位和3位碳之間裂解,形成二碳化合物草酸和四碳化合物L(fēng)-蘇氨酸,四碳化合物最終氧化生成酒石酸。D-葡萄糖酸C4/C5途徑,只在豆科植物中被鑒定,D-葡萄糖酸直接轉(zhuǎn)化為5-酮基-D-葡萄糖酸,之后通過與抗壞血酸C4/C5相同的步驟生成酒石酸[15-16,21]。
新鮮水果以富含Vc深受喜愛。然而,葡萄并不像其他水果那樣積累大量的Vc,因?yàn)槠渲械腣c作為草酸和酒石酸合成的前體物質(zhì)被消耗??箟难崾巧L發(fā)育所必需的多功能代謝物,是一種重要的抗氧化劑,參與植物防御非生物脅迫??箟难岷铣傻闹饕緩绞荢mirnoff-Wheeler途徑,也稱為L-半乳糖途徑,該途徑也是葡萄中抗壞血酸合成的主要途徑(圖1),共有10種酶類參與。具體過程為D-葡萄糖依次在己糖激酶(HXK)、磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(PGI)、磷酸甘露糖異構(gòu)酶(PMI)、磷酸甘露糖變位酶(PMM)及GDP-D-甘露糖焦磷酸化酶(GMP)作用下生成GDP-D-甘露糖。之后,該途徑的第六個酶類:GDP-D-甘露糖-3'5'-異構(gòu)酶 (GME)催化GDP-D-甘露糖生成GDP-L-半乳糖。GME是新陳代謝中的一個“節(jié)點(diǎn)”,因?yàn)镚ME不僅是抗壞血酸生物合成途徑的關(guān)鍵酶,還是細(xì)胞壁生物合成途徑的關(guān)鍵酶,參與非纖維素多糖的合成,因此,它可以控制碳流向抗壞血酸合成通路。隨后,在GDP-L-半乳糖磷酸化酶(GGP/VTC2)、L-半乳糖-1-磷酸酯酶(GPP/VTC4)和L-半乳糖脫氫酶(GLDH)催化下分別產(chǎn)生L-半乳糖-1-磷酸、L-半乳糖和L-半乳糖-1,4-內(nèi)酯,而L-半乳糖是該合成途徑中的關(guān)鍵物質(zhì)。最后,L-半乳糖-1,4-內(nèi)酯脫氫酶(L-GalLDH)特異性催化L-半乳糖-1,4-內(nèi)酯生成抗壞血酸,參與L-抗壞血酸生物合成最后一個階段[22-23]。
圖1 植物中抗壞血酸和酒石酸氧化還原合成途徑Figure1 Biosynthesis and redox pathways of ascorbic acid and tartaric acid in plant cell
L-艾杜糖酸脫氫酶(L-IDH)是酒石酸合成途徑第一個被鑒定和分析的酶,催化L-艾杜糖酸到5-酮基-D-葡萄糖酸的限速步驟[14,24]。在葡萄中該基因家族有三個成員,都定位在16號染色體上,其中VvLIDH1和VvLIDH3在基因上相距10kb,基因方向相同,然而VvLIDH2與它們方向相反,表明VvLIDH家族的不同成員由不同的啟動子調(diào)控[25]。轉(zhuǎn)錄分析表明,VvLIDH1和VvLIDH3在幼果中的表達(dá)量高,這也與酒石酸開始積累的時間一致[26-28]。利用L-IDH抗體和漿果提取物的酶活分析發(fā)現(xiàn),L-IDH蛋白豐度及其活性在果實(shí)發(fā)育早期達(dá)到高峰,與VvLIDH1和VvLIDH3的表達(dá)量一致[29-30]。
VvLIDH3(又稱為Q1PSI9)是目前葡萄中唯一被證實(shí)能夠氧化L-艾杜糖酸的家族成員[14]。表達(dá)譜分析表明,葡萄成熟漿果中VvLIDH3的表達(dá)量在夜晚升高[31];運(yùn)用CRISPR/Cas9突變技術(shù)敲除VvLIDH3,導(dǎo)致酒石酸含量下降[32]。VvLIDH3屬于“II類”植物山醇脫氫酶(SDH),它含有一系列關(guān)鍵氨基酸殘基(His42、Gly112和Ser113)負(fù)責(zé)L-艾杜糖酸的結(jié)合和氧化,這些重要的氨基酸殘基在葡萄VvLIDH1中同樣保守。VvLIDH1與VvLIDH3具有高度一致性,只在非關(guān)鍵位點(diǎn)的3個氨基酸殘基不一致[33-34],然而VvLIDH1在酒石酸合成中的功能還不明確。此外,負(fù)責(zé)艾杜糖酸結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn)在天竺葵植物中也非常保守。VvLIDH2屬于“I類”SDH,其參與山梨醇代謝,而不是酒石酸的合成。I類和II類SDH的表達(dá)模式不一樣,前者表達(dá)量在植物發(fā)育整個過程中不斷增加,后者與酒石酸合成的時間更加接近,在發(fā)育過程中表達(dá)量減少[19,34]。
在蘋果和甜橙中,存在L-IDH同源基因,而它們并不積累酒石酸。對蘋果基因組的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),12個L-IDH同源基因中,有11個與VvLIDH3的相似性低,并且缺少關(guān)鍵的氨基酸殘基,僅有1個拷貝的植物“II類”SDH[35-36]。此外,對中國野生葡萄烏頭葉蛇葡萄(Ampelopsis aconitifolia)的研究發(fā)現(xiàn),其缺少L-IDH轉(zhuǎn)錄本并且沒有酒石酸積累,進(jìn)一步表明L-IDH對于酒石酸積累是必須的,也是葡萄漿果中酒石酸合成途徑中最具特征的酶[14]。
2-酮-L-古洛糖酸還原酶(2-KGR)催化2-酮-L-古洛糖酸生成L-艾杜糖酸。葡萄中存在與大腸桿菌2-KGR同源的基因,并且該基因與VvLIDH3表達(dá)模式相同。體外研究發(fā)現(xiàn),該重組酶具有2-KGR酶的活性,底物親和動力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其主要活性為乙醛酸或羥基丙酮酸還原酶[12,37]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),葡萄Vv2KGR與擬南芥羥基丙酮酸還原酶(AtHPR2)具有高度相似性,該酶參與羥基丙酮酸和乙醛酸還原代償旁路[38]。然而,重組表達(dá)的Vv2KGR對L-艾杜糖酸、抗壞血酸、甲酸、山梨醇糖、D-葡萄糖、6-磷酸葡萄糖酸鹽、5-酮-D-葡萄糖酸和D-葡萄糖酸都具有催化活性,但催化效率不高。利用X-射線晶體學(xué)和分子對接技術(shù)對Vv2KGR蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析發(fā)現(xiàn), 2-酮-L-古洛糖酸是最佳底物,并且GC-MS也證實(shí)該催化反應(yīng)的產(chǎn)物是L-艾杜糖酸[12]。Vv2KGR與VvLIDH3在進(jìn)化上類似,它們都保留了其原始酶活,即乙醛酸還原酶和山梨醇氧化酶活性,并且分別進(jìn)化出新的功能參與酒石酸的合成。
除了Vv2KGR和VvLIDH3,目前還沒有對酒石酸生物合成途徑中其余步驟的候選基因進(jìn)行鑒定,包括酒石酸合成的第一個步驟,即從抗壞血酸或脫氫抗壞血酸轉(zhuǎn)化為2-酮-L-古洛糖酸,以及最后兩步,即5-酮基-D-葡萄糖酸轉(zhuǎn)變成酒石酸半醛,然后變成酒石酸(圖1)。有學(xué)者提出轉(zhuǎn)酮酶(TK)可以將5-酮-D-葡萄糖酸裂解成4C和2C片段,最早發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)酮酶的作用是在卡爾文循環(huán)或磷酸戊糖循環(huán)途徑中,但推測其可能在某些條件下以5-酮基-D-葡萄糖酸酯作為底物。酒石酸合成最后一步反應(yīng)的催化酶類,推測是酒石酸半醛脫氫酶(TSDH),它可能是琥珀酸半醛脫氫酶或其異構(gòu)體,進(jìn)化過程中將酒石酸半醛作為新的首選底物[34]。
盡管酒石酸只在有限的植物種類中存在,但是存在多條生物合成途徑。在牻牛兒苗科植物中,抗壞血酸C2/C3途徑是合成酒石酸的主要途徑。然而,在葡萄果實(shí)中,抗壞血酸C2/C3途徑主要產(chǎn)生L-蘇氨酸和草酸,酒石酸來源于另外一個單獨(dú)的C4/C5途徑。目前還不清楚為什么在葡萄中已經(jīng)存在抗壞血酸C2/C3裂解方式,還進(jìn)化出一條新的酒石酸合成途徑。有一種推測可能是負(fù)責(zé)將L-蘇氨酸轉(zhuǎn)化為酒石酸的酶在葡萄中缺乏或者不活躍[35]。此外,除了葡萄屬和天竺葵屬植物,在馬鈴薯、柑橘類水果和梨中也檢測到少量的酒石酸。這3個物種已經(jīng)被證明包含一個L-IDH異構(gòu)體或“II類”SDH。牛油果和羅望子也被認(rèn)為是酒石酸型水果,這些植物也可能成為研究不同有機(jī)酸分布、酒石酸遺傳和代謝的有用模型[19,34]。此外,利用廣泛靶向代謝組學(xué)檢測酒石酸合成的前體物質(zhì)也有助于尋找酒石酸合成的其它步驟。
為了克服生化方法的局限性,利用QTL定位和全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)來尋找定位酒石酸合成的遺傳位點(diǎn)。過去十年,葡萄漿果酸度相關(guān)QTL的研究有一些突破,如與總酸度、可滴定酸、pH,以及蘋果酸和幼果中各種酸比例相關(guān)的研究。然而關(guān)于酒石酸的遺傳位點(diǎn)研究沒有重大突破[1,39],這可能與酒石酸合成途徑眾多、調(diào)控位點(diǎn)復(fù)雜以及受多種因素影響等相關(guān)。盡管存在這些挑戰(zhàn),研究者利用矮化與持續(xù)開花突變體Picovine與‘白玉霓’無果肉突變體Ugni Blancflb雜交構(gòu)建的遺傳群體,在連鎖群LG7和LG4上發(fā)現(xiàn)了兩個酒石酸相關(guān)的重要并且穩(wěn)定的QTL位點(diǎn)[40]。此外,全基因組關(guān)聯(lián)分析在葡萄復(fù)雜生物學(xué)性狀方面的應(yīng)用越來越多。最近,研究者利用472份葡萄種質(zhì)資源全基因組測序和GWAS分析了許多葡萄性狀,包括酒石酸積累,鑒定到氧化還原酶超家族的一個潛在的去乙酰氧基-4-羥化酶。該酶催化2-氧戊二酸鹽(五碳化合物)氧化為琥珀酸(四碳化合物),因此,推測該酶可能參與酒石酸合成的后兩步反應(yīng)過程,比如轉(zhuǎn)化5-酮基葡萄酸生成酒石酸,不過仍然需要進(jìn)一步試驗(yàn)證明該基因在酒石酸合成中的作用[41]。此外,對279份葡萄品種的GWAS分析也鑒定到與酒石酸積累相關(guān)的基因座[42]。
酒石酸一旦合成,就被轉(zhuǎn)移到液泡中儲存起來。鋁激活的蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白VvALMT9很有可能參與蘋果酸與酒石酸從胞質(zhì)到液泡中的運(yùn)輸過程[43]。轉(zhuǎn)錄組和qPCR結(jié)果顯示,VvALMT9在葡萄漿果發(fā)育的整個過程都有表達(dá),在成熟果實(shí)中的表達(dá)量最高,說明該酶的活性在蘋果酸和酒石酸積累之后,會持續(xù)保持比較高的活性。目前在植物細(xì)胞其他膜結(jié)構(gòu)中還沒有發(fā)現(xiàn)酒石酸運(yùn)輸?shù)暮蜻x蛋白,但是已發(fā)現(xiàn)有一些與酒石酸前體抗壞血酸運(yùn)輸?shù)暮蜻x蛋白。擬南芥中有12個抗壞血酸鹽轉(zhuǎn)蛋白(NAT)的候選基因,其中有3個(AtNat7、8、12)定位在細(xì)胞膜[22,43]。未來,在葡萄中分析與這些基因共表達(dá)、共定位的候選基因?qū)⒂兄诰剖徂D(zhuǎn)運(yùn)的研究。
葡萄漿果中的酒石酸形成穩(wěn)定的酒石酸鉀鹽,儲存在液泡中,遠(yuǎn)離潛在的分解代謝酶類,因此在成熟過程中酒石酸基本不受影響[34]。大腸桿菌和假單胞菌可以將D-酒石酸鹽作為碳源,通過氧化作用轉(zhuǎn)化為草酰乙酸或甘油酸,最終轉(zhuǎn)化為丙酮酸。L-酒石酸能夠被農(nóng)桿菌通過碳固定的方式利用,該菌體是葡萄的宿主菌,其含有酒石酸代謝相關(guān)基因[44]。葡萄中的L-酒石酸鹽能夠被灰霉菌代謝,產(chǎn)生不同的有機(jī)酸,包括蘋果酸、丙酮酸、醋酸鹽、草酸和草酰乙酸等[45]。因此,當(dāng)葡萄漿果完好無損時,酒石酸不會被分解,然而一旦遇到機(jī)械損傷或者病原菌入侵,酒石酸可能會被這些微生物代謝利用[35]。
溫度和光照會影響果實(shí)有機(jī)酸組分,這不僅關(guān)系到果實(shí)品質(zhì),而且關(guān)系到品種與其最適生長區(qū)在未來氣候變化中的兼容性。然而,環(huán)境因素對漿果有機(jī)酸含量的影響在很大程度上取決于遺傳背景,并且與漿果的發(fā)育階段和栽培措施也有關(guān)系,這使得有機(jī)酸合成調(diào)控的研究更加復(fù)雜。歐亞種葡萄中蘋果酸的含量隨著光照強(qiáng)度的增加而降低,并且隨著水分供應(yīng)的減少而降低[46]。然而,目前關(guān)于環(huán)境條件對酒石酸生物合成調(diào)控的研究進(jìn)展還較少。對比法國夏朗德地區(qū)不同氣候條件對栽培種葡萄酒石酸合成的影響發(fā)現(xiàn),葡萄中抗壞血酸和酒石酸的總量及濃度受到氣候條件的影響。2011年(少雨、高溫)成熟葡萄中酒石酸的總量及濃度是2013年(濕潤、涼爽)的2~3倍。進(jìn)一步的酶活分析發(fā)現(xiàn),L-IDH酶活的第一個峰值出現(xiàn)在抗壞血酸水平最高的時候,并且隨之帶來酒石酸的大量積累。通過調(diào)查氣候?qū)Σ煌L階段漿果酒石酸含量的影響,發(fā)現(xiàn)在幼果階段,強(qiáng)光和限制水分能夠促進(jìn)抗壞血酸和酒石酸的合成[8],但在成熟階段,光照對酒石酸含量的影響不明顯[19],高溫可以改變漿果中氨基酸和有機(jī)酸的濃度,然而成熟漿果中酒石酸的含量不受溫度的影響[47];此外,遮蔭處理導(dǎo)致漿果中L-酒石酸的濃度降低,同時漿果的粒質(zhì)量減小,抗壞血酸總量減少,但草酸和蘋果酸的濃度不受遮蔭處理的影響[32]。為了進(jìn)一步探索酒石酸合成途徑中的遺傳調(diào)控,開展啟動子結(jié)構(gòu)遺傳分析、尋找合成途徑的新酶類如催化5-酮基-D-葡萄酸到酒石酸的酶類,可能有助于取得新的進(jìn)展。
葡萄果實(shí)糖酸含量及其構(gòu)成比例直接決定了果實(shí)品質(zhì),不同品種果實(shí)的有機(jī)酸含量與組分差異較大,篩選或培育高糖高酸的釀酒品種或高糖低酸的鮮食品種,對葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。酒石酸作為葡萄中的主要酸類,盡管50多年前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),然而對葡萄中酒石酸生物合成途徑的生化和遺傳機(jī)理研究還不夠深入。繼續(xù)利用傳統(tǒng)的生化和分子方法可能會產(chǎn)生更多的候選基因,但也需要考慮其它可能性,也許酒石酸合成是非酶促反應(yīng),或一種酶負(fù)責(zé)多個步驟[19]。與此同時,可以分析常見代謝途徑中的酶類是否具有潛在的其它功能,例如尋找那些表達(dá)模式與Vv2KGR和VvLIDH3一致,并且與酒石酸合成時間和部位一致的基因[34];再利用生物信息學(xué)和葡萄基因組數(shù)據(jù)庫,通過序列比對的方法在葡萄全基因組范圍內(nèi)鑒定相關(guān)家族基因,并對其進(jìn)化關(guān)系、基因定位、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行分析。
QTL定位在基因克隆及篩選鑒定方面起著重要作用,基于雙親本群體得到的圖譜,鑒定出非常多的與果實(shí)品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL和基因,可能會由于特定親本品種或種類之間有限的遺傳多樣性受到限制,因此,選擇適當(dāng)?shù)碾s交親本是酒石酸QTL定位成功的關(guān)鍵。隨著高通量測序成本的降低,收集大量的種質(zhì)資源進(jìn)行GWAS分析有助于探明酒石酸在葡萄中的合成及遺傳調(diào)控規(guī)律。利用SNP標(biāo)記進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析,找到與酒石酸含量性狀顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn),在此基礎(chǔ)上對候選基因進(jìn)行挖掘分析,還可以定位酒石酸相關(guān)的標(biāo)記位點(diǎn),為葡萄的品質(zhì)育種提供一種切實(shí)可行的基礎(chǔ)手段。