黃酮碳苷的分布、生物合成及其生物學(xué)功能研究進(jìn)展

李 帥，戴軼群，趙玉成，秦民堅(jiān)

（中國(guó)藥科大學(xué) 中藥學(xué)院，江蘇 南京 211198）

黃酮類化合物是一類以二苯基色原酮（C6-C3-C6）為基本骨架，由兩個(gè)芳香環(huán)（A 環(huán)與B 環(huán)）通過中間三碳結(jié)構(gòu)連接而成的植物次生代謝產(chǎn)物，黃酮類化合物主要以其結(jié)合態(tài)（黃酮苷）形式存在，少量以游離態(tài)（黃酮苷元）的形式存在于植物體內(nèi)[1-2]。根據(jù)糖基與黃酮苷元的連接方式，黃酮苷類化合物可分為黃酮氧苷和黃酮碳苷，黃酮苷元上氧原子與糖基以C-O 鍵連接形成黃酮-O-糖苷，而黃酮苷元上碳原子與糖基以C-C 鍵連接則形成黃酮-C-糖苷。黃酮碳苷常與氧苷共存，相對(duì)于黃酮氧苷更加穩(wěn)定，且具有抗糖尿病、抗炎、抗阿爾茨海默病、抗氧化、抗病毒、抗焦慮和鎮(zhèn)痛等多種藥理活性[2-5]。在生物合成上，黃酮碳苷由C-糖基轉(zhuǎn)移酶催化合成[1]，迄今已有67 條CGTs 被報(bào)道。黃酮類成分具有重要的植物生物學(xué)功能，其中，黃酮碳苷在共色作用[6-7]、生殖[8]、抗食性[9]、化感作用[10]、抗真菌[11]、非生物脅迫[12]等方面也具有多重生物學(xué)功能?，F(xiàn)今已有大量關(guān)于黃酮氧苷結(jié)構(gòu)、分布、生物合成、藥理活性及生物學(xué)功能等方面的研究，但是關(guān)于黃酮碳苷的綜述鮮見報(bào)道。本研究對(duì)黃酮碳苷的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為黃酮碳苷的進(jìn)一步開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 黃酮碳苷的結(jié)構(gòu)

黃酮碳苷的類型可以由黃酮母體結(jié)構(gòu)、糖基類型、糖基數(shù)目以及?；揎棝Q定，按黃酮母體結(jié)構(gòu)可分為黃酮、異黃酮、黃烷酮、黃酮醇、二氫查耳酮、酮和雙黃酮等苷元類型；糖基供體有葡萄糖、鼠李糖、芹糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等，糖基的連接位置主要在黃酮母體A 環(huán)的6 位和8 位，此外也有一些糖基連接在C 環(huán)C-3 位和B 環(huán)C-4′位的碳苷結(jié)構(gòu)[4,13]。黃酮碳苷的主體主要是以木犀草素、芹菜素為母體，在其A 環(huán)6、8 位連接糖基，形成單碳苷黃酮或雙碳苷黃酮，詳見圖1，部分以葡萄糖為糖基的單碳苷黃酮在其葡萄糖2、4、6 位連接葡萄糖、木糖、鼠李糖形成二糖或雙二糖碳苷黃酮或葡萄糖的2 位被3,4,5-三羥苯甲?；⒁阴；?、咖啡酰基等?；〈狞S酮碳苷[5,14]。較為常見及被廣泛研究的黃酮碳苷有（異）牡荊素、（異）葒草素、牡荊素-2"-O-木糖苷、（異）夏佛托苷、胡蘆巴苷Ⅱ、葛根素、紅花苷、maysin 等[3-6]。近年來，也有一些新型黃酮碳苷衍生物被報(bào)道，例如：牡荊素2′′-O-（4?-乙酰鼠李糖苷）、獐牙菜素2′′-O-（4?-乙酰鼠李糖苷）和芹菜素7,4′-二甲醚6-C-β-鼠李糖苷-（1 →2）-木糖苷、2?,4?-O-二乙?；鞅葘幒?′′,4?-O-二乙?；鞅葘幍萚7,15]。

圖1 主體黃酮碳苷母核及代表性結(jié)構(gòu)Fig.1 Main flavonoid C-glycosides parent nucleus and representative structures

2 黃酮碳苷資源分布

黃酮碳苷是碳苷中數(shù)量最多的一類，廣泛分布于被子植物中，在少數(shù)苔蘚類、藻類以及裸子植物等低等植物中也有發(fā)現(xiàn)，其中分布最廣的有牡荊素、異牡荊素及其衍生物[3]。目前至少在70 個(gè)科的300 余個(gè)物種中發(fā)現(xiàn)了黃酮碳苷類化合物的存在，在禾本科、豆科和菊科中的分布報(bào)道最多，詳見表1。尤其值得注意的是，黃酮碳苷作為膳食黃酮在禾本科中含量豐富，且主要分布在植株的葉片、果皮和谷物等地上部分。

表1 黃酮碳苷分布植物表Tab.1 The distribution of flavonoid C-glycosides in plants

3 黃酮碳苷的生物合成

3.1 黃酮碳苷生物合成途徑

大多數(shù)黃酮碳苷來源于植物，是類黃酮生物合成途徑的產(chǎn)物，位于苯丙素生物合成途徑的下游。該途徑首先由苯丙氨酸解氨酶PAL 通過非氧化脫氨反應(yīng)酶C4H 和4-香豆酰輔酶A 連接酶4CL 的作用下生成柚皮素查爾酮的前體——4-香豆酰輔酶A，查爾酮合酶CHS 是黃酮類化合物合成的起始酶，其產(chǎn)物柚皮素查爾酮通過查爾酮異構(gòu)酶CHI 轉(zhuǎn)化為柚皮素，柚皮素在黃酮合成酶FNS/黃酮2 位羥化酶F2H 的作用下生成黃酮芹菜素/黃烷酮2-羥基柚皮素，而糖基化是合成黃酮碳苷的最后一步。黃酮碳苷的生物合成途徑可分為兩條[20-21,46-48]，詳見圖2。

圖2 黃酮碳苷的兩種生物合成途徑Fig.2 Two biosynthetic pathways of flavonoid C-glycosides

3.2 黃酮碳苷生物合成過程中的關(guān)鍵酶

黃酮碳苷生物合成的最后一步由C-糖基轉(zhuǎn)移酶CGTs（C-glycosyltransferase）催化，此步驟是區(qū)別黃酮碳苷與其它黃酮（黃酮苷元、黃酮氧苷）的關(guān)鍵步驟。CGTs 屬于GT1 即糖基轉(zhuǎn)移酶家族I，GT1 是最大的糖基轉(zhuǎn)移酶家族，以尿苷5'-二磷酸作為糖供體，受體可以是萜類、類黃酮、皂苷、植物激素和外源性物質(zhì)等，其結(jié)構(gòu)特征是C 端具有一個(gè)高度保守的44 個(gè)氨基酸組成的一致序列，稱為植物次生產(chǎn)物糖基轉(zhuǎn)移酶（PSPG）盒子[47-49]。

2009 年，水稻中首次報(bào)道了CGTs，發(fā)現(xiàn)其以2-羥基黃酮為底物生成黃酮碳苷[50]；催化黃酮二-C-糖苷糖基化的CGT 在柑橘屬植物中首次發(fā)現(xiàn)，并解析了其晶體結(jié)構(gòu)[51]，至今共有8 種植物源CGTs（TcCGT1, GgCGT, SbCGTa, SbCGTb, LpCGTa,LpCGTb, ZmCGTa, FeCGTa）的晶體結(jié)構(gòu)被解析。2020 年，SUN Y 等[52]發(fā)現(xiàn)了部分禾本科作物存在708 家族基因串聯(lián)現(xiàn)象，表征了禾本科30 條CGTs（部分屬于雙功能C-葡萄糖/C-阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶），并實(shí)現(xiàn)了黃酮碳苷在大腸桿菌細(xì)胞工廠的生產(chǎn)，產(chǎn)量達(dá)20 ～ 40 mg/L，此外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了單子葉植物和雙子葉植物之間UGT708 家族的明顯分化和禾本科植物特有的UGT708A 家族的分化；同年，XIE K B 等[47]發(fā)現(xiàn)了可以催化間苯三酚結(jié)構(gòu)底物的糖基轉(zhuǎn)移酶，AbCGT 表現(xiàn)出了對(duì)底物和糖供體的雜泛性；2022年，首個(gè)來源于蕨類的ScCGT1 被報(bào)道，其P164T突變體通過與糖供體形成氫鍵增加了酶活性[53]。

由于CGTs 的基因序列相似性較低等原因，迄今為止，植物中只有67 條CGTs 的功能被驗(yàn)證，目前報(bào)道的屬于第一種類型的CGTs 只有4 條，其余均屬于第二類，且在進(jìn)化上都屬于UGT708 家族[1]，但不同植物中UGT708 家族CGTs 的功能具有差異性，部分甚至具有一些非黃酮類底物催化活性，通過關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的突變，已實(shí)現(xiàn)C-糖基化向O-糖基化功能的轉(zhuǎn)變以及黃酮二-C-糖苷的糖基化向黃酮單-C-糖苷的糖基化功能的轉(zhuǎn)變[46-48,51]。見表2。

表2 植物來源已表征功能的CGTsTab.2 The functional CGTs previously characterized from plants

3.3 黃酮碳苷生物合成的調(diào)控

關(guān)于黃酮碳苷類化合物的調(diào)控鮮有報(bào)道，MOROHASHI K 等[66]發(fā)現(xiàn)P1 編碼R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子，P1 為玉米須中黃酮碳苷maysin 積累的主要數(shù)量性狀位點(diǎn)，負(fù)責(zé)玉米中maysin 的積累，染色質(zhì)免疫沉淀結(jié)合高通量測(cè)序證明P1 可能通過靶向調(diào)控F2H 來調(diào)控黃酮碳苷的合成，并且P1 可能是類黃酮生物合成途徑的主要調(diào)節(jié)因子；而最近YANG Y 等[67]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子QFcDof4 和FcDof16 可靶向調(diào)控FcCGT以增加黃酮碳苷的生成。

4 黃酮碳苷的生物學(xué)功能

4.1 促產(chǎn)卵作用

鳳尾蝶的幼蟲只以柑橘屬及蕓香科其他一些屬植物為食，且雌蝴蝶非常精準(zhǔn)的在寄主植物的嫩葉上產(chǎn)卵，OHSUGI T 等[68]從柑橘的提取物中分離到一種黃酮二碳苷類促產(chǎn)卵物質(zhì)胡蘆巴苷Ⅱ。

4.2 雄性生育能力

類黃酮在一些植物物種中是雄性生育能力所必需的，為了探索與雄性生育能力有關(guān)的類黃酮，有學(xué)者對(duì)水稻突變體的下游類黃酮途徑分支點(diǎn)酶進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括黃酮3-羥化酶（OsF3H；黃酮醇途徑進(jìn)入酶）、黃酮合成酶II（CYP93G1；黃酮途徑進(jìn)入酶）和黃酮2-羥化酶（CYP93G2；黃酮碳苷途徑進(jìn)入酶）。研究結(jié)果表明不同種類（黃烷酮、黃酮醇、黃酮和黃酮碳糖苷）的組合對(duì)于水稻的雄性完全生育能力至關(guān)重要[8]。

4.3 抗食性

褐飛虱、白背飛虱和紋飛虱在植物薄壁細(xì)胞組織中表現(xiàn)出刺探行為特征，KIM M 等[9]從水稻中分離鑒定出夏佛托苷、刺苞菊甙等8 種黃酮碳苷作為飛虱刺探的刺激物。另外，研究者發(fā)現(xiàn)在喂養(yǎng)含夏佛托苷250和500 μg/mL 的人工飼料時(shí)，飛虱幼蟲分別在10 d 和5 d 后死亡，而在喂養(yǎng)缺乏夏佛托苷的對(duì)照飼料時(shí)，有20%的幼蟲在11 d 后仍存活[69]。推測(cè)黃酮碳苷類成分既作為口針刺探的刺激物，又作為吸食的抑制劑。

4.4 抗蟲劑

RECTOR B G 等研究表明與低maysin 玉米須飼料、無maysin 玉米須飼料和無玉米須對(duì)照飼料相比，高maysin 玉米須飼料顯著減緩了棉鈴蟲所有菌落幼蟲的生長(zhǎng)和發(fā)育[70]。

4.5 化感作用

豆科植物銀葉山螞蝗作為玉米間作作物能顯著減少玉米被寄生的菟絲子侵襲。HOOPER A M 等[10]用生物測(cè)定法對(duì)銀葉山螞蝗的根提取物進(jìn)行分離，發(fā)現(xiàn)抑制菟絲子生根生長(zhǎng)的活性成分主要為異夏佛托苷。

4.6 抗真菌作用

MCNALLY D J 等[11]發(fā)現(xiàn)黃酮碳苷類化合物作為植保素在黃瓜真菌防御策略中發(fā)揮重要作用，并推斷黃酮碳苷可能會(huì)對(duì)真菌蛋白質(zhì)的正常功能產(chǎn)生不利影響，從而使黃瓜植株對(duì)白粉病產(chǎn)生抗性。

4.7 共色作用

只有少數(shù)花色素作為色素發(fā)色團(tuán)被發(fā)現(xiàn)，黃酮碳苷可作為共色素參與花色形成。GOTO T 等[71]闡明了康乃馨花顏色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色的原因，并通過光譜鑒定了幾種類黃酮共色素，其中黃酮碳苷類的共色素效應(yīng)最強(qiáng)。HONDO T 等[72]從鴨跖草的深藍(lán)色花瓣中分離出一種以晶體形式存在的鴨跖草苷，它由3 種成分（[M6F6Mg2]6-）組成,其中，F(xiàn) 是一種黃酮碳苷類共色素。結(jié)合已報(bào)道文獻(xiàn)，推測(cè)黃酮碳苷可能作為共色素參與許多藍(lán)色花系植物的花色形成，并在穩(wěn)定花色中發(fā)揮重要作用。

4.8 淹水脅迫

WANG T 等[73]通過廣泛靶向代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)杭菊在不同生長(zhǎng)期的總黃酮積累量不同，大部分黃酮碳苷在淹水脅迫后的兩個(gè)階段均顯著增強(qiáng)。

4.9 UV-B 脅迫

為了應(yīng)對(duì)暴露于破壞性的UV-B 輻射，植物進(jìn)化出了紫外線誘導(dǎo)的保護(hù)和修復(fù)機(jī)制，如積累吸收紫外線的化合物。CASATI P 等[74]發(fā)現(xiàn)高海拔玉米植株通過在葉片中積累吸收紫外線的黃酮碳苷異牡荊素和maysin 等來響應(yīng)UV-B 輻射。

4.10 低溫脅迫

URRUTIA M 等[12]通過蛋白組和代謝組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)不同基因型玉米對(duì)冷脅迫反應(yīng)相似，溫度從20℃降到16℃、13℃、8.5℃，鑒定到包括黃酮碳苷在內(nèi)的多種差異代謝物，田間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定了包括異牡荊苷在內(nèi)的幾個(gè)響應(yīng)冷脅迫的候選代謝物和蛋白質(zhì)，可以作為預(yù)測(cè)田間早播的生物標(biāo)記物。

5 結(jié)語

黃酮碳苷具有廣泛的藥理活性和生理作用，然而作為黃酮類化合物的重要組成部分，對(duì)于黃酮碳苷的研究卻遠(yuǎn)不及其他黃酮類化合物（苷元、氧苷）深入。黃酮碳苷類化合物在植物中分布較廣，且不同物種中的CGTs 具有功能差異性，利用這一特性可在植物體或工程菌株中高效特異的合成目標(biāo)黃酮碳苷或其他具有藥理活性的新型黃酮碳苷。此外，黃酮碳苷廣泛的生物學(xué)功能可應(yīng)用于藍(lán)色系花色的園藝植物培育以及中藥抗性品種的分子育種等。為更好的利用黃酮碳苷的CGTs 及其廣泛的生物學(xué)功能，CGTs 的催化機(jī)制及其基因水平的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制亟待進(jìn)一步研究。