環(huán)境因子及內(nèi)源物質(zhì)對果樹中花青素調(diào)控的研究進(jìn)展

王 碩，鄭秀文，劉 冠，張萌萌

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2黑龍江大學(xué)/農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；3黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

花青素是植物各組織器官內(nèi)糖基化的多酚類化合物，又稱為花青素，其分子結(jié)構(gòu)為3,5,7-甲基-2-苯基苯并吡喃，是自然界中普遍存在于植物葉、花和水果中的水溶天然色素，其使植物呈現(xiàn)不同顏色。目前已知的花青素有20多種，可供人類食用的有6種，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為天竺葵素(pelargonidin)、矢車菊素(cyanidin)、芍藥花素(peonidin)、飛燕草素(delphinidin)、矮牽牛素(petunidin)和錦葵素(malyidin)[1-2]。

花青素功能多樣，它在植物抵抗逆境時發(fā)揮著重要作用[3]，既可以抵抗病原菌侵染、蟲害侵染等生物逆境，也可以抵抗紫外線輻射、低溫、旱災(zāi)等非生物逆境；花青素還有利于植物著色，使植物具有觀賞價值，其色彩可以吸引昆蟲傳粉、促進(jìn)植物繁殖[4]；此外花青素還具有抗氧化、清除[5]、抗炎、抗感染、防癌、防止心血管疾病等作用。

花青素在蘋果、楊梅、李子和梨等果實中積累較多，因此果實不僅色澤鮮艷，而且營養(yǎng)豐富，所以花青素的含量在果樹的分子改良育種研究中是一個重要指標(biāo)。本研究主要從環(huán)境因子和內(nèi)源激素對花青素積累影響的研究進(jìn)行總結(jié)及展望，旨在為果樹育種以及花青素的深入研究和利用提供一些參考依據(jù)。

1 環(huán)境因素對花青素積累的調(diào)控作用

1.1 光照

光照強(qiáng)度對花青素的合成影響顯著。已有一些研究表明，楊梅、蘋果、梨等果樹在種植過程中如果經(jīng)過套袋處理，會導(dǎo)致果實沒有顏色，而在陽光下則會呈現(xiàn)紅色的果皮[6-9]。而當(dāng)光強(qiáng)的閾值較低時，花青素的含量會隨著光合強(qiáng)度的增強(qiáng)而增多[10]。柳蘊(yùn)芬等[11]研究了不同水果套袋處理對桃子花色苷含量轉(zhuǎn)變的調(diào)控，結(jié)果表明套袋處理會降低紅肉桃內(nèi)花青素的積累。也有一些研究表明，蘋果果皮的花青素含量與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)[12]。

在光強(qiáng)增加時，與花青素合成、轉(zhuǎn)運控制有關(guān)的基因表達(dá)明顯提升。例如R2R3MYBs就是重要的正調(diào)控因子，其直接影響到花青素生物合成基因的表達(dá)[13]。而對于一些負(fù)調(diào)控因子，如COP1(constitutive photomorphogenic 1)，在強(qiáng)光條件下，植物會通過COP1/SPA 酶復(fù)合物進(jìn)行正常的光信號傳導(dǎo)[14]，以防止花青素的過度積累。此外，花青素合成酶(anthocyanidin synthase，ANS)作為花青素合成通路下游的關(guān)鍵酶，對強(qiáng)光脅迫也可起到抵御作用。有研究表明，植物體對強(qiáng)光的抗性和ANS基因的表達(dá)水平之間存在正相關(guān)關(guān)系[15]。

光質(zhì)則通過調(diào)控花青素合成中的有關(guān)基因表達(dá)來調(diào)控花青素合成，且不同光質(zhì)對花青素的調(diào)控機(jī)制不同。?i?dem等[16]通過對石榴汁液的研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過UV-C的處理之后，相比于單一熱處理，石榴汁的花青素合成量增加。Kim 等[17]發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光+UV-B 共照的條件是誘導(dǎo)番茄花青素生物合成的最有效方法：藍(lán)色+UV-B通過高度誘導(dǎo)硝酸還原酶的產(chǎn)生增加一氧化氮的生成，進(jìn)而調(diào)控花青素合成通路中某些基因的表達(dá)水平并導(dǎo)致花青素的有效累積。也有研究結(jié)果表明[18]，在白光、紅光與藍(lán)光的照射下，植物愈傷組織的花青素總積累會顯著提高。

針對于中華獼猴桃的研究表明，紅光下中華獼猴桃中的花青素含量降低，其通過抑制查爾酮合成酶(chalconesynthase，CHS)、二 氫 黃 酮 醇-4-還 原 酶(dihydroflavonol-4-reductase，DFR)、花 青 素 合 成 酶(anthocyaninsynthase，ANS)、糖基轉(zhuǎn)移酶(flavonoid 3-O-glucosyltransferase，UFGT)等酶基因的表達(dá)得到抑制，而高藍(lán)光可以提高CHS、DFR等基因的表達(dá)水平，進(jìn)而促進(jìn)愈傷組織花青素的積累。解瀟冬等[19]在藍(lán)光:紅光為3:1 環(huán)境下發(fā)現(xiàn)獼猴桃內(nèi)遺傳基因MYB110的表達(dá)量增加，從而推動了鮮紅色獼猴桃果實的產(chǎn)生。

1.2 溫度

溫度是影響花青素積累的顯著環(huán)境因子，其通過影響植物組織中花青素的穩(wěn)定性和生物合成路徑中相關(guān)酶的活性來調(diào)控花青素的合成[20]。低溫使花青素積累升高，而高溫使花青素積累降低。金周雨等[21]通過對藍(lán)靛果的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以4℃為基準(zhǔn)時，隨溫度的升高花青素的含量逐漸降低。此外Fang 等[22]通過對李子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在對李子進(jìn)行20℃處理后，花青素積累相關(guān)酶基因的轉(zhuǎn)錄水平升高（包括2-氨基苯丙酸解氨酶、查爾酮合酶），進(jìn)而誘導(dǎo)李子果皮中花青素的積累；而30℃以上溫度會導(dǎo)致酶的活性降低，花青素的含量下降。而關(guān)于高溫下花青素積累減少的原因，也考慮與花青素自身的降解有關(guān)[23]。

溫度還可以通過影響花青素合成途徑中調(diào)節(jié)基因的表達(dá)來調(diào)控花青素的合成。Bu 等[24]在蘋果中發(fā)現(xiàn)一種名為MdLBD37的基因，此基因的表達(dá)在高溫下急劇上調(diào)且對蘋果花青素的積累有顯著抑制作用。Yu等[25]在對蘋果進(jìn)行低溫處理后，發(fā)現(xiàn)其ROS1基因的表達(dá)受 到 抑制，進(jìn) 而導(dǎo)致MdCHS、MdCHI、MdF3'H、MdANS、MdUFGT和MdMYB10的啟動子甲基化水平降低，增加了花青素的積累。

1.3 礦質(zhì)元素

礦質(zhì)元素主要通過影響花青素的穩(wěn)定性來調(diào)控花青素的含量，大多數(shù)的礦質(zhì)元素對花青素的穩(wěn)定性具有保護(hù)作用，并能促進(jìn)花青素的合成，少部分礦質(zhì)元素?zé)o明顯作用，極小部分甚至?xí)种苹ㄇ嗨氐暮铣伞?/p>

李炎林等[26]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Al3+能提高花青素的含量，而高濃度的Al3+降低了花青素的含量。潘芝梅等[27]通過研究N、K、P、Fe、Ca 5種元素及其與李子表皮顏色形成的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)K、Ca、P、Fe促進(jìn)李子果皮花青素的合成；在荔枝果皮著色的研究中也發(fā)現(xiàn)，P、K、Ca元素能夠促進(jìn)花青素的合成，使果皮著色[28]。

高宇等[29]根據(jù)對軟棗獼猴桃花青素穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)K+、Na+、Ca2+對花青素生產(chǎn)加工中穩(wěn)定性的影響沒有很大差別，它們可對花青素產(chǎn)生保護(hù)作用，使得花青素的保存量較高。而Cu2+則會通過加速醌式堿的產(chǎn)生來破壞花青素的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其積累量降低。在黑果枸杞中也發(fā)現(xiàn)Cu2+能對其花青素飽和溶液有顯著的褪色功效；此外其他金屬離子如Al3+可明顯提色花青素飽和溶液，F(xiàn)e2+則使花青素溶液變成黑紫色沉積，F(xiàn)e3+可直接破壞花青素的結(jié)構(gòu)[30]。而趙立儀等[31]在對藍(lán)莓花青素的研究中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓花青素在被酰胺化后穩(wěn)定性增強(qiáng)，K+、Na+、Cu2+和濃度值小于0.05 mol/L 的Fe2+對其沒有顯著影響。

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此外花青素是弱二酸，作為一種親核試劑容易發(fā)生π堆疊相互作用，進(jìn)而容易結(jié)合金屬離子[32]。

1.4 水分

果樹在生長過程中的花青素積累與環(huán)境中水分的含量息息相關(guān)。王虹[33]研究發(fā)現(xiàn)，在夏季干旱脅迫下，紅葉桃中花青素含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，而在秋季干旱脅迫下，花青素含量大幅度增加。此種現(xiàn)象也說明水分可能與溫度協(xié)同作用從而對花青素的含量產(chǎn)生影響，且適度的干旱可以促進(jìn)花青素的合成。還有研究發(fā)現(xiàn)水分含量過多會促進(jìn)花青素苷的分解，從而促使花青素的含量升高[34-35]。

1.5 pH

花青素的色調(diào)受pH影響，其在偏堿環(huán)境下呈淡黃色，在強(qiáng)酸性環(huán)境下呈鮮紅色，在弱酸性環(huán)境下呈深藍(lán)色[36]。此外，花青素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也受pH 影響，在弱酸環(huán)境下花青素的穩(wěn)定性較高；在弱堿環(huán)境下穩(wěn)定性略有下降，而在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下穩(wěn)定性顯著變差[37-38]。李媛等[39]通過對紅莓穩(wěn)定性和色差的變化研究發(fā)現(xiàn)，紅莓的色澤受pH變化的影響，隨著酸度的降低，紅莓由紅色變?yōu)辄S色；且在低pH 條件下的花青素含量最高、降解量最少。而龐學(xué)群等[40]提出花青素的顏色隨吸收光譜的改變而改變，且低pH能夠保持花青素的穩(wěn)定性并能夠促進(jìn)花青素的合成[41]。

以3 種被不同的糖基修飾的花青素為實驗材料，研究不同酸堿環(huán)境條件對花青素穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，所有實驗材料均在酸性條件下呈鮮紅色，且較穩(wěn)定[42]。

由于花青素具有在不同的pH 下會改變顏色的特性，已有一些學(xué)者對其作為酸堿指示劑的可行性展開了研究。如國外學(xué)者在對火龍果皮中花青素進(jìn)行的酸堿滴定實驗中發(fā)現(xiàn)[43]，火龍果皮花青素的酸堿滴定準(zhǔn)確度高，適合作為酸堿滴定實驗中常用合成指示劑的替代品。此外亦有使用紫甘藍(lán)與黑枸杞中花青素作為酸堿指示劑的研究[44-45]。

2 內(nèi)源物質(zhì)對花青素積累的調(diào)控作用

2.1 糖類

糖類在大部分植物中對花青素的積累起正調(diào)控，其在果皮顏色的變化中起重要作用。而糖能調(diào)節(jié)花青素的合成主要有2 個因素：一是糖參與了花青素的合成，通過糖基化生成穩(wěn)定的花色苷；二是合成花青素的前體物質(zhì)是通過莽草酸生成的，而莽草酸的生成取決于戊糖的呼吸分解，因此，花青素合成中需要大量的糖分進(jìn)行呼吸分解[46-47]。而糖類在花青素合成通路的作用并不局限于物質(zhì)層面，糖類也可通過對信號機(jī)制的調(diào)控作用于花青素的合成[48]，如Huang 等[49]就發(fā)現(xiàn)杏樹中一些糖可作為花青素合成中的信號分子，正調(diào)控其花青素含量。

孫倩怡等[50]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓花青素的積累會隨糖類濃度的增加而增加，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，但只有個別糖會產(chǎn)生此種結(jié)果，此種現(xiàn)象在梨品種‘紅臺洋’中也有體現(xiàn)，該梨品種中花青素與果糖含量呈顯著正相關(guān)，與蔗糖含量相關(guān)性不顯著，與葡萄糖含量無相關(guān)性[51]。此外，當(dāng)藍(lán)莓和濃度較高的葡萄糖、蔗糖和果糖并存時，花青素的穩(wěn)定性可得到維持，但與較低濃度的葡萄糖、蔗糖和果糖并存則加速花青素的溶解[52]。

Xiong等[53]在對楊梅的研究中也發(fā)現(xiàn)，‘東魁’楊梅的花青素含量較高是因為其可溶性糖的含量（包括蔗糖、葡萄糖和果糖）增加。

2.2 內(nèi)源激素

生長激素常通過調(diào)整花青素合成方式中一些基因的表達(dá)來調(diào)控花青素的合成[54]。研究結(jié)果顯示，生長素對花青素的合成具備兩重性，即低濃度促進(jìn)、高濃度抑制[55-57]。Moro 等[58]通過對紅樹莓果樹的研究發(fā)現(xiàn)，在采摘后的幾天內(nèi)，使用IAA(3-indoleacetic acid)處理后的紅樹莓果實中的花青素和總酚類含量均低于對照組，且這些效應(yīng)與MYB10和ANS基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制有關(guān)，其影響了花青素前體修飾及花青素的上色（圖1）。而Cheng 等[59]在對蘋果果樹的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)生長素處理可誘導(dǎo)MdIAA121的表達(dá)并釋放出MdARF13，而MdARF13作為花青素代謝途徑的負(fù)調(diào)節(jié)因子抑制了花青素的積累。也有研究以紅肉蘋果為材料[57]，當(dāng)在其培養(yǎng)過程中添加生長素后，發(fā)現(xiàn)花青素調(diào)控基因（MdMYB10和MdbHLH3）和結(jié)構(gòu)基因受0.6 mg/L濃度的2,4-D(2,4-dichlorophenoxyacetic acid)的影響而被顯著抑制[57]。

圖1 IAA對花青素合成通路的影響

脫落酸對花青素的合成有正調(diào)控作用，但不同果樹中脫落酸的調(diào)控機(jī)制存在差異。Qu 等[60]通過對荔枝褐變的研究發(fā)現(xiàn)，用ABA(abscisic acid)處理荔枝可上調(diào)參與花青素合成途徑的關(guān)鍵酶2-氨基苯丙酸解氨酶(2-aminophenylalanine ammonia lyase，PAL)、CHS和UFGT的活性，促進(jìn)了花青素的積累（圖2），但赤霉素(gibberellins，GA)則起到相反的作用，如Li 等[61]在對蘋果的研究中發(fā)現(xiàn)GA 與花青素的積累呈負(fù)相關(guān)。一些對藍(lán)莓的研究也表明[62]，外源ABA 對藍(lán)莓果實生長并無明顯影響，但其可通過加速花青素（主要是錦葵苷、飛燕草苷和矮牽牛苷）的積累來刺激果實的著色，此外ABA 也能夠通過刺激枸杞中一氧化氮合酶的轉(zhuǎn)錄促進(jìn)花青素的積累和果實著色[63]；而尹金華等[64]則認(rèn)為ABA 促進(jìn)花青素的合成是由于促進(jìn)了乙烯的合成。

圖2 ABA對花青素合成通路的調(diào)控作用

乙烯對花青素的合成有重要影響。Ni等[65]對紅梨果實的研究表明，乙烯通過抑制轉(zhuǎn)錄因子PpMYB10和PpMYB114表達(dá)，抑制編碼酶的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，從而降低花青素的合成。對藍(lán)莓的研究中則發(fā)現(xiàn)ABA 和乙烯是糖類的重要誘導(dǎo)因子，協(xié)同促進(jìn)果實成熟和花青素的積累與合成[66]。而乙烯與光照調(diào)控花青素合成途徑也存在關(guān)聯(lián)，Yu 等[67]研究發(fā)現(xiàn)MdACO1和MdLNC610在蘋果果實和愈傷組織中存在過表達(dá)現(xiàn)象，MdLNC610作為促進(jìn)MdACO1表達(dá)和乙烯生物合成的正調(diào)節(jié)劑，參與高光誘導(dǎo)花青素產(chǎn)生的調(diào)節(jié)。此外也有研究表明[68]，乙烯可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子MYBL2的表達(dá)，抑制花青素的合成。

細(xì)胞分裂素對花青素的積累也有促進(jìn)作用。Das等[69]認(rèn)為細(xì)胞分裂素可提高結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)花青素生物合成。

茉莉酸鹽與激素或植物生長調(diào)節(jié)劑具有許多共性。有研究發(fā)現(xiàn)[63]，茉莉酸鹽對果樹花青素的作用主要是通過茉莉酸鹽對MYB 和bHLH 轉(zhuǎn)錄因子家族的調(diào)控作用，誘發(fā)花青素積累。此外茉莉酸鹽也會誘發(fā)梨中的丁二烯合成，進(jìn)而降低花青素的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用。

3 展望

天然食用色素花青素具有來源廣、用途多、安全強(qiáng)的特點，日益受到人們的廣泛關(guān)注。此外隨著近年來生物技術(shù)的發(fā)展，花青素的研究也取得了很大的進(jìn)展。在應(yīng)用價值方面，花青素在醫(yī)學(xué)、環(huán)境、園藝、經(jīng)濟(jì)、作物產(chǎn)量等都具有顯著作用；在分子結(jié)構(gòu)方面，通過代謝組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等研究方法，探究了花青素的合成機(jī)制，揭示了花青素生物合成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；在影響因子方面，花青素穩(wěn)定性差，初步明確了光照、溫度、水分等環(huán)境因子以及內(nèi)源激素對花青素的合成有一定的影響。然而花青素合成的調(diào)控機(jī)理是一個復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，環(huán)境因子和內(nèi)源激素在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的效應(yīng)和機(jī)制尚不明確，故缺乏對該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)全面系統(tǒng)的解釋。因此，還需要借助分子生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)等生物技術(shù)進(jìn)行深入研究。此外，由于基因技術(shù)的提升，后續(xù)可以從如下方向?qū)麡渲谢ㄇ嗨剡M(jìn)行研究：（1）借助分子生物技術(shù)，探究各類影響因素在花青素合成中的作用模式；（2）利用基因編輯、轉(zhuǎn)基因等分子技術(shù)和遺傳研究方法，明確各類影響因素在花青素合成中的綜合效應(yīng)和機(jī)制；（3）通過添加輔色劑、花青素?；?、微膠囊技術(shù)等技術(shù)手段，深入研究花青素在食品加工、運輸和貯藏過程中，控制其穩(wěn)定性的作用機(jī)理。