植物中甜菜色素的研究進(jìn)展

黃 晨 ,張 威 ,任紅旭

(1 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000;2 中國科學(xué)院 植物研究所,北方資源植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093;3 中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049;4 國家植物園,北京 100093;5 中國科學(xué)院大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

甜菜色素、花青素、葉綠素和類胡蘿卜素并稱為四大類天然植物色素。相較于其他三類分布廣泛且較為常見的色素,甜菜色素在自然界中分布范圍狹窄,僅存在于石竹目(Caryophyllales)[石竹科(Caryophyllaceae)和粟米草科(Molluginaceae)除外]中。常見的積累甜菜色素的植物主要有藜科堿蓬屬鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、莧科莧菜屬雁來紅(Amaranthus mangostanus)、仙人掌科火龍果(Hylocereusundatus)、商陸科美洲商陸(Phytolaccaamericana)等[1]。除被子植物外,在真菌譜系中的擔(dān)子菌門和細(xì)菌譜系中的某些重氮營養(yǎng)型葡萄糖酸菌中也存在甜菜色素[2]。

甜菜色素因最早在甜菜(Betavulgaris)根中發(fā)現(xiàn)而得名,是一種具有生物活性的水溶性含氮色素,在酸性條件下較為穩(wěn)定,堿性和高溫環(huán)境下不穩(wěn)定,耐氧化和還原能力差。甜菜色素的穩(wěn)定性受酸堿度、光、熱、氧化劑、酶和金屬離子等多種因素的影響[3]。甜菜色素主要分為以糖苷化為輔基類型的甜菜紅素和以氨基酸為輔基類型的甜菜黃素[4]。甜菜紅素的吸收光譜為532～550 nm,甜菜黃素的吸收光譜為457～485 nm,甜菜醛氨酸作為最重要的中間產(chǎn)物,參與這2種色素的生物合成。截至2021年,已從17科植物中鑒定出50多種甜菜紅素和31種甜菜黃素[5]。

由于甜菜色素生物合成途徑獨(dú)特,且與花青素互斥,因此甜菜色素作為一種重要的化學(xué)分類指標(biāo),在植物進(jìn)化和分類研究中極具科學(xué)價(jià)值,已逐漸成為新的研究熱點(diǎn),且近年來已取得多項(xiàng)重要研究進(jìn)展[6-9]。鑒于國內(nèi)學(xué)者對甜菜色素的理化性質(zhì)、生物合成、生物學(xué)功能及利用等方面已進(jìn)行了詳細(xì)的綜述[4,10-11],而對甜菜色素和花青素的關(guān)系以及光照對甜菜色素生物合成影響的分析還較少,因此,本文擬從甜菜色素的生物合成及轉(zhuǎn)錄調(diào)控出發(fā),重點(diǎn)闡述光對甜菜色素生物合成的影響以及甜菜色素和花青素的關(guān)系,并對國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述和展望,以期為更好地研究和開發(fā)利用甜菜色素提供思路。

1 甜菜色素的生物合成及調(diào)控

1.1 甜菜色素的生物合成途徑

植物體內(nèi)游離酪氨酸是甜菜色素的合成前體。在酪氨酸酶羥化活性的作用下,酪氨酸首先被轉(zhuǎn)化為L-多巴,之后4,5-多巴雙加氧酶催化L-多巴氧化裂解形成4,5-開環(huán)多巴,4,5-開環(huán)多巴經(jīng)過自發(fā)的分子內(nèi)縮合反應(yīng)生成關(guān)鍵的中間產(chǎn)物——甜菜醛氨酸[12]。同時(shí),L-多巴在酪氨酸酶氧化活性的作用下被氧化為多巴醌,多巴醌環(huán)化形成閉環(huán)多巴,L-多巴也可在細(xì)胞色素P450 基因CYP76AD1的催化下直接產(chǎn)生閉環(huán)多巴。閉環(huán)多巴與甜菜醛氨酸結(jié)合最終形成甜菜紅素,甜菜醛氨酸也可與氨基酸或胺結(jié)合生成甜菜黃素[13](圖1)。

圖1 甜菜色素生物合成途徑[14]Fig.1 The betalain biosynthetic pathway[14]

由于在甜菜色素植物中CYP76AD1催化L-多巴所形成的閉環(huán)多巴比氨基酸更易與甜菜醛氨酸結(jié)合,因此在甜菜色素植物中存在的主要是甜菜紅素而非甜菜黃素[10]。

1.1.1酪氨酸羥基化和L-多巴氧化

酪氨酸羥基化形成L-多巴是甜菜色素生物合成的第一步,之后L-多巴轉(zhuǎn)化為環(huán)多巴,這兩步反應(yīng)通常被認(rèn)為是由酪氨酸酶催化的。酪氨酸酶是一種具有單酚和雙酚雙重氧化活性的酶,可催化單酚羥基化為二酚,再將二酚氧化成醌,在大花馬齒莧(Portulacagrandiflora)、甜菜和鹽地堿蓬等植物中都已檢測出酪氨酸酶的活性。然而,對于酪氨酸酶在甜菜色素合成中的作用近年來也頗有爭議:首先,酪氨酸酶參與甜菜色素的生物合成尚未在基因水平上得到證實(shí);其次,細(xì)胞內(nèi)酪氨酸酶的定位和甜菜色素的合成位置不同,酪氨酸酶通常定位于質(zhì)體中,而甜菜色素的合成則是在細(xì)胞質(zhì)中;此外,紅甜菜中細(xì)胞色素P450 酶基因CYP76AD1的發(fā)現(xiàn)則讓酪氨酸酶的作用更加充滿爭議。研究證明,在甜菜色素合成過程中,CYP76AD1不僅是L-多巴轉(zhuǎn)化為環(huán)多巴所必需的,而且也催化著酪氨酸羥基化形成L-多巴的反應(yīng)。在添加酪氨酸的酵母細(xì)胞培養(yǎng)液中單獨(dú)表達(dá)重組CYP76AD1會造成L-多巴的積累,其積累水平約為單獨(dú)表達(dá)重組AbPPO2的20倍[15],當(dāng)與紫茉莉DODA(MjDODA)共表達(dá)時(shí),能夠產(chǎn)生甜菜紅素。另外,在對不同顏色的莧菜(AmaranthustricolorL.)品種進(jìn)行比較轉(zhuǎn)錄組分析時(shí)也發(fā)現(xiàn),莧菜AmCYP76AD1的高表達(dá)是影響甜菜色素積累的關(guān)鍵因素[16];因此,酪氨酸酶在甜菜色素生物合成途徑中的作用還有待于進(jìn)一步研究。

1.1.2甜菜醛氨酸形成

甜菜醛氨酸是所有甜菜色素的基本生色團(tuán),由4,5-開環(huán)多巴經(jīng)過自發(fā)的分子內(nèi)縮合反應(yīng)生成。4,5-多巴雙加氧酶(4,5-DOPA dioxygenase,DODA)是一種含鐵蛋白質(zhì),催化L-多巴形成中間體4,5-開環(huán)多巴,該反應(yīng)是最終形成甜菜醛氨酸的關(guān)鍵步驟。編碼4,5-多巴雙加氧酶的基因最初從毒蠅傘(Amanitamuscaria)的cDNA 文庫中克隆得到,在大花馬齒莧中首先被鑒定,之后在紫茉莉(Mirabilisjalapa)、仙人掌(Opuntiadillenii)和鹽地堿蓬中也陸續(xù)得以鑒定。Sasaki等[17]在大腸桿菌中成功表達(dá)了來源于紫茉莉的4,5-多巴雙加氧酶MjDODA基因,證實(shí)該酶在體外也具有生物活性,從而實(shí)現(xiàn)甜菜醛氨酸的體外合成。而一些來源于非甜菜色素植物的4,5-多巴雙加氧酶盡管在體外也表現(xiàn)出了活性,卻無法合成甜菜色素,究其原因可能是這些植物體中缺乏L-多巴的存在。

1.1.3甜菜色素生物合成途徑中的糖基化和?；?/p>

甜菜紅素的合成過程較甜菜黃素復(fù)雜,需要經(jīng)過糖基化和酰基化過程。甜菜紅素的糖基化主要有2種方式:(1)酪氨酸通過多巴黃質(zhì)、多巴黃質(zhì)醌等中間產(chǎn)物生成甜菜紅苷元,之后在葡糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下在甜菜紅苷元的C-5 或者C-6 位上連接糖基,形成甜菜紅苷或千日紅苷等甜菜紅素;(2)閉環(huán)多巴先進(jìn)行糖基化形成閉環(huán)多巴苷,閉環(huán)多巴苷再與甜菜醛氨酸縮合生成甜菜紅素[18]。目前尚不清楚上述哪條途徑在石竹目植物中更為普遍,以及這2種方式在同一物種中是如何共存的。糖基轉(zhuǎn)移酶(GTs)是一類催化特定糖基和受體之間形成特定糖苷鍵的多成員轉(zhuǎn)移酶家族[19],在番杏科植物彩虹菊(Dorotheanthusbellidiformis)中首先克隆出了5-O-葡糖基轉(zhuǎn)移酶基因,隨后又克隆到6-O-葡糖基轉(zhuǎn)移酶基因,其序列與5-O-葡糖基轉(zhuǎn)移酶基因完全不同,而與花青素葡糖基轉(zhuǎn)移酶基因的序列則非常相似,這進(jìn)一步說明二者在糖基化過程中各自獨(dú)立發(fā)揮作用。甜菜紅素的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性除了來源于糖基化反應(yīng)外,還與合成過程中的多種?；磻?yīng)有關(guān)。目前已在石竹目至少4個(gè)科中發(fā)現(xiàn)?；奶鸩松?所連接的取代基包括水楊基、丙二?；?、3-羥基-3-甲基戊二?；妥畛Ｒ姷牧u基肉桂?；取?/p>

1.2 甜菜色素生物合成途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

早在2009 年,Takahashi等[20]便在美洲商陸(P.americana)DODA基因的啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)多個(gè)MYB、bHLH 以及逆境響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。之后,通過與花青素MYB 轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行同源性分析,在甜菜(糖用甜菜)中也推定出2個(gè)與甜菜色素合成調(diào)控相關(guān)的R2R3 型MYB 轉(zhuǎn)錄因子,分別定位于2號染色體的R位點(diǎn)附近[21]。與此同時(shí),Hatlestad等[6]也報(bào)道了甜菜中位于2號染色體Y位點(diǎn)的MYB轉(zhuǎn)錄因子BvMYB1,并證實(shí)BvMYB1是甜菜中甜菜色素生物合成的正調(diào)控因子,它通過直接結(jié)合甜菜中的細(xì)胞色素P450 基因BvCYP76AD1和4,5-多巴雙加氧酶基因BvDODA1各自的啟動子區(qū)域而將其激活。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)BvMYB1和花青素相關(guān)MYBs具有高度的序列相似性,二者的時(shí)空表達(dá)模式也極為相似,這些都意味著BvMYB1極有可能是從古老的調(diào)控花青素合成的MYB轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)化而來。除BvMYB1外,在莧菜中也克隆到與甜菜色素生物合成相關(guān)的R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子基因AmMYB1[8]。最近,在火龍果中也發(fā)現(xiàn)了一類屬于1R-MYB 亞家族的R-R 型轉(zhuǎn)錄因子HuMYB132,它通過調(diào)控HuCYP76AD1-1和HuDODA1基因的表達(dá),正向調(diào)控火龍果中甜菜色素的合成[22]。有趣的是,甜菜色素MYB對色素的作用方式與花青素MYB不同,花青素R2R3-MYB在R3結(jié)構(gòu)域內(nèi)含有1個(gè)與bHLH 蛋白互作的(D/E)Lx2(R/K)x3Lx6Lx3R 基序,通過與bHLH、WD40互作共同調(diào)控花青素的合成[6],而BvMYB1、Am-MYB1由于bHLH 基序中的結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生突變,從而不能與MYB-bHLH-WD 復(fù)合體中的異源bHLH互作,進(jìn)而阻礙了花青素的正常合成,以致無法合成花青素。近來,在火龍果中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)錄因子HubHLH159可能參與調(diào)控甜菜色素的生物合成,它能夠通過激活HuADH1,HuCYP76AD1-1和HuDODA1基因的表達(dá)而促進(jìn)甜菜色素的合成,這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步分析HubHLH基因家族的功能提供了重要依據(jù)。然而HubHLH159在甜菜色素生物合成中的調(diào)控機(jī)制以及與其他轉(zhuǎn)錄因子之間的互作關(guān)系尚有待于進(jìn)一步研究[23]。此外,在火龍果中還發(fā)現(xiàn)了1種新的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子HmoWRKY40,在火龍果著色過程中HmoWRKY40的表達(dá)水平和甜菜色素含量均迅速上升。HmoWRKY40能夠結(jié)合并激活HmoCYP76AD1的啟動子,參與火龍果中甜菜色素的生物合成[24]。

除上述提到的甜菜色素合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子之外,研究顯示可能還有更多的表觀遺傳因子也參與了甜菜色素的合成調(diào)控。例如,在紫茉莉的研究中發(fā)現(xiàn)其紅黃雜色品種的花色是由轉(zhuǎn)座因子dTmj1的活性決定的。轉(zhuǎn)座因子dTmj位于紫茉莉花瓣中細(xì)胞色素P450基因CYP76AD3的內(nèi)含子中,形成的CYP76AD3:dTmj1是一種可變基因,該基因在dTmj1切除和轉(zhuǎn)座后能夠恢復(fù)功能,從而導(dǎo)致花瓣的黃色背景上形成紅色斑點(diǎn)[25],該研究說明某些轉(zhuǎn)座子可能也對甜菜色素的合成起到調(diào)控作用。

1.3 甜菜色素的分解代謝

對于參與甜菜色素分解代謝的基因迄今所知甚少。已知光、氧氣、pH 和高溫等各種非酶促因子均可促進(jìn)甜菜色素降解,甜菜紅素比甜菜黃素更容易被過氧化物酶降解,而甜菜黃素更易于被過氧化氫氧化[13]。研究發(fā)現(xiàn),過氧化物酶、葡萄糖苷裂解酶和多酚過氧化物酶可通過協(xié)同作用使甜菜色素降解[14]。

2 光照對甜菜色素生物合成的影響

光作為重要的環(huán)境信號之一,能夠觸發(fā)植物色素合成等生理過程。對于光照影響甜菜色素合成代謝的機(jī)制目前還所知甚少。由于甜菜色素和花青素在植物體內(nèi)的功能及分布具有一定相似性,因此認(rèn)為二者對于光以及其他環(huán)境信號的響應(yīng)機(jī)制是保守進(jìn)化的。鑒于2種色素合成過程中某些調(diào)控成分具有明顯差別,因此進(jìn)一步研究光照以及光照與關(guān)鍵內(nèi)源和外源因子(如激素和溫度)相互作用對甜菜色素合成的影響是非常有必要的,這將為深入解析光照調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)[26]。

2.1 光質(zhì)和光強(qiáng)對甜菜色素生物合成的影響

2.1.1光強(qiáng)

在籽粒莧(Amaranthussp.)幼苗中首次證明了甜菜色素濃度受光信號的調(diào)控[27]。盡管目前普遍認(rèn)為光照對于植物中甜菜色素的積累具有正調(diào)控作用,但是其在甜菜色素合成中的必要性仍存在爭議。Wohlpart和Mabry[28]比較了幾種不同植物2～3周幼苗在白光和黑暗條件下甜菜色素的積累情況,認(rèn)為光并不是甜菜色素合成的必要條件;Wang等[29]在鹽地堿蓬幼苗中也發(fā)現(xiàn),萌發(fā)期保持黑暗對于甜菜色素的積累至關(guān)重要,而光照促進(jìn)甜菜色素降解,且這種響應(yīng)與光照下酪氨酸酶的降解和失活有關(guān)。然而,對鹽地堿蓬愈傷組織的研究則顯示了不同結(jié)果:白光或光合有效光譜中不同波長的光均可顯著誘導(dǎo)甜菜紅素的積累,這種效應(yīng)與4,5-多巴雙加氧酶mRNA 水平的上升以及酪氨酸酶羥化、氧化活性的增加[30]相一致。此外,暗處理導(dǎo)致甜菜和大花馬齒莧愈傷組織中甜菜紅素降解[31],卻有利于紅葉藜(Oxybasisrubra)愈傷培養(yǎng)物中甜菜紅素的積累[32]。綜上所述,甜菜色素合成對于光的需求可能因植物組織和物種不同而有所不同。

2.1.2光質(zhì)

研究表明,光對甜菜色素的誘導(dǎo)作用也受光質(zhì)和物種差異的影響,不同植物中不同光質(zhì)對甜菜色素的合成影響不同。用紅光照射紅心火龍果(Hylocereuscostaricensis)時(shí)發(fā)現(xiàn),紅光能夠顯著提高其愈傷組織中甜菜紅素和甜菜黃素的含量[33];對莧菜的研究表明,黑暗不利于莧菜萌發(fā)期甜菜色素的合成,白光對于甜菜色素的合成和積累效果最佳,藍(lán)光次之[34];王曉[35]用藍(lán)光和藍(lán)紅復(fù)合光處理莧菜幼苗,發(fā)現(xiàn)莧菜幼苗中甜菜紅素和甜菜黃素的含量均隨藍(lán)光光強(qiáng)的增加而增加,且藍(lán)紅復(fù)合光中高比例的藍(lán)光更容易誘導(dǎo)甜菜紅素合成;馬冰雪等[36]用紅光、綠光和藍(lán)光分別照射甜菜幼苗,結(jié)果表明藍(lán)光有利于甜菜色素積累,綠光下甜菜色素含量明顯下降,紅光下甜菜紅素含量降至各處理最低,這一研究說明短波長光質(zhì)更易誘導(dǎo)產(chǎn)生甜菜紅素,張媛媛等[37]用藍(lán)光處理莧菜愈傷組織也得到了相同結(jié)果。然而,在鹽地堿蓬幼苗中則有不同報(bào)道:黑暗處理顯著促進(jìn)了鹽地堿蓬幼苗子葉中甜菜紅素的積累,而藍(lán)光照射強(qiáng)烈降低了黑暗中所積累的甜菜色素含量[38]。進(jìn)一步的研究顯示,藍(lán)光下鹽地堿蓬中甜菜紅素含量下降是由酪氨酸酶失活造成的,而酪氨酸酶的失活與藍(lán)光受體CRY2蛋白的降解有關(guān)。

UV 輻射也被證明對甜菜色素的合成具有促進(jìn)作用。對灰藜(ChenopodiumalbumL.)細(xì)胞培養(yǎng)物分別進(jìn)行UV、藍(lán)光、白光、紅光和黑暗處理,其中僅UV 和包含UV 光質(zhì)的藍(lán)光和白光能夠誘導(dǎo)甜菜紅素的形成,而不具有UV 特性的光照則不能誘導(dǎo)甜菜紅素形成;將灰菜細(xì)胞培養(yǎng)物在UV 照射下形成的紅色細(xì)胞團(tuán)轉(zhuǎn)移到紅光和黑暗環(huán)境下,細(xì)胞中所積累的甜菜紅素發(fā)生降解[39];過濾去除UV-B后,尾穗莧(Amaranthuscaudatus)幼苗中甜菜紅素的合成受到抑制[40];單獨(dú)用UV-A 照射可以誘導(dǎo)冰葉日中花(MesembryanthemumcrystallinumL.)葉片囊泡中積累甜菜紅素,表明甜菜紅素可能作為紫外線過濾器以保護(hù)植物免受紫外線的傷害[41]。

2.2 光和植物激素在甜菜色素合成中的相互作用

研究表明,光和植物激素可以相互作用影響甜菜色素的合成。如在酪氨酸存在的情況下對黑暗中生長的雁來紅幼苗施以激動素,能夠模擬白光處理所達(dá)到的效果,提高植物中甜菜紅素的含量[42];生長在蒸餾水中的尾穗莧幼苗,無論是在黑暗還是光照下都只能合成莧菜紅素,而當(dāng)激動素和白光兩者同時(shí)具備時(shí),甜菜紅素也能被誘導(dǎo)出來,再添加多巴底物又能進(jìn)一步誘導(dǎo)出甜菜黃素[43],說明光和激動素可以共同作為甜菜紅素和甜菜黃素合成的正調(diào)控因子;黑暗下對鹽地堿蓬愈傷組織和莧菜幼苗施以6-BA 也能顯著提高甜菜紅素含量,且甜菜紅素含量與4,5-多巴雙加氧酶基因DODAmRNA 的表達(dá)水平呈正相關(guān)[44]。

UV-B也能夠和激素共同作用調(diào)控甜菜色素的合成。研究表明,高強(qiáng)度UV-B 輻射能刺激植物合成乙烯,而用乙烯利處理紅甜菜植株可使其甜菜色素含量增加,且與BvMYB1、BvCYP76AD1、BvCYP76AD5、BvCYP76AD6、BvDODA1等基因表達(dá)水平的上升相一致。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中,對紅甜菜葉面噴施乙烯利并在收獲后短時(shí)照射UV-B可以提高甜菜中甜菜紅素與仙人掌黃素的比值[45]。SA 和JA 這2種植物激素也受UV-B誘導(dǎo),并且對甜菜色素的合成具有促進(jìn)作用[46]。然而,盡管以上結(jié)果說明UV-B促進(jìn)甜菜色素的合成可能是通過激素調(diào)節(jié)的,但相關(guān)證據(jù)還不夠充分,因而通過更加有效的實(shí)驗(yàn)方法以證明UV-B、激素和甜菜色素合成之間的直接聯(lián)系是非常有必要的。

2.3 光和溫度在甜菜色素合成中的相互作用

光照和溫度在甜菜色素的合成中也具有交互作用。Elliott的研究[47]顯示,在給予一定時(shí)間的紅光照射之前,先在40 ℃高溫下對莧菜幼苗進(jìn)行預(yù)處理,可使其積累較多甜菜紅素,而在40 ℃處理之前用紅光照射則不具有這種效果。將莧菜幼苗置于40 ℃下2 h后,轉(zhuǎn)移到25 ℃下培養(yǎng)1 h,之后給予紅光照射,此時(shí)甜菜紅素的積累量達(dá)到最大。如果從25 ℃再次轉(zhuǎn)回40 ℃,甜菜色素的合成則受到抑制。對此,推測認(rèn)為當(dāng)溫度升高到40 ℃時(shí),一些能夠使光敏色素充分表達(dá)的必需活性成分會被誘導(dǎo)形成,為了使這些活性成分最大程度合成或發(fā)揮活性,在照射紅光之前,幼苗需先在較低溫度下保持1～2 h。由此可見,光照對甜菜色素的誘導(dǎo)作用也依賴于溫度的變化。此外,在擬南芥(Arabidopsisthaliana)中已經(jīng)證明,光敏色素phyB以溫度依賴的方式與調(diào)控花青素合成的關(guān)鍵靶基因的啟動子直接結(jié)合。暖溫有利于黑暗條件下植物體內(nèi)光敏色素活性形式(Pfr)向非活性形式(Pr)轉(zhuǎn)換,并抑制特異性光敏色素相互作用因子(PIF)的降解,從而使下游靶基因得以表達(dá)[48]。

關(guān)于UV-B、溫度和甜菜色素合成之間的直接聯(lián)系目前鮮見報(bào)道,但在花青素植物中已經(jīng)證明UV-B和溫度協(xié)同作用,共同影響花青素的生物合成。UVR8是植物感知UV-B 輻射的特異性受體,UV-B輻射下,UVR8構(gòu)象發(fā)生變化,從二聚體轉(zhuǎn)化為單體,進(jìn)而能夠與E3-泛素連接酶COP1互作,阻止花青素合成的正調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子HY5被泛素化降解[49]。Kim 等[50]研究發(fā)現(xiàn)高溫能夠促進(jìn)HY5 降解繼而抑制花青素合成。此外,擬南芥中UVR8二聚體/單體比例的動態(tài)變化受UV-B 和溫度的共同調(diào)控,低溫下UVR8再二聚體化的速率會降低[51];在葡萄(Vitisvinifera)等其他花青素植物中也發(fā)現(xiàn)UVR8的表達(dá)受環(huán)境溫度的影響[52]?；谝陨显诨ㄇ嗨刂参镏械难芯拷Y(jié)果,筆者推測在甜菜色素的生物合成中,光和溫度也具有類似的協(xié)同調(diào)控作用,對此需通過更進(jìn)一步深入研究來加以確認(rèn)。

2.4 光照調(diào)控甜菜色素生物合成的可能機(jī)制

盡管對甜菜色素生物合成途徑上游的調(diào)控事件目前還所知甚少,但在甜菜色素植物中發(fā)現(xiàn)的與花青素途徑共有的MYB 轉(zhuǎn)錄因子,意味著這2種色素合成的調(diào)控機(jī)制可能是保守進(jìn)化的。因此,已經(jīng)闡明的花青素合成代謝機(jī)制可以為甜菜色素代謝調(diào)控研究提供重要借鑒。如前所述,UV-B 通過不同機(jī)制調(diào)控植物合成光保護(hù)色素,其中HY5 等多個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子發(fā)揮了重要作用。除了E3-泛素連接酶COP1之外,HY5的表達(dá)水平還受到其他光響應(yīng)因子的調(diào)節(jié),例如特異性光敏色素相互作用因子PIFs 1 和PIFs 3,以 及B-Box 蛋 白(BBXs)[53]等。其間,HY5是眾多光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交匯點(diǎn),調(diào)控著植物光信號響應(yīng)基因的表達(dá)。

對擬南芥的研究表明,除了HY5 之外,MYB轉(zhuǎn)錄因子家族的其他成員也參與調(diào)控?cái)M南芥中的色素合成。擬南芥中的MYB 轉(zhuǎn)錄因子AtMYB4 可以抑制具有光保護(hù)作用的苯丙素類色素的合成[54],過表達(dá)該轉(zhuǎn)錄因子可以抑制查爾酮合成酶基因的表達(dá),表明AtMYB4 參與了花青素的合成調(diào)控。此外,光通過激活HY5來阻止轉(zhuǎn)錄抑制因子AtMYB2的表達(dá),從而促進(jìn)了花青素的合成。同時(shí),光還誘導(dǎo)了miR858a的表達(dá),miR858a能夠依賴于HY5 的存在而在翻譯水平上對MYB2進(jìn)行抑制[55]。序列對比分析結(jié)果表明,這些轉(zhuǎn)錄因子的同源基因在石竹目植物中是保守進(jìn)化的。對藜麥DODA和CYP76AD1的啟動子進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在藜麥中存在擬南芥中MYB4 和HY5 的結(jié)合位點(diǎn)[56]。最近在莧菜[7]和火龍果[57]中也證實(shí)有miR858a的表達(dá),進(jìn)一步證明miR858a可能參與調(diào)控甜菜色素合成。利用生物信息學(xué)技術(shù)對miRNA 目標(biāo)序列進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)其目標(biāo)序列也保守存在于甜菜色素類植物(如甜菜、藜麥、菠菜等)的MYB4mRNA 阻遏蛋白的編碼區(qū)中。

如2.2節(jié)所述,細(xì)胞分裂素和光相互作用調(diào)控甜菜色素的合成,然而其中的分子機(jī)制尚不清楚,相關(guān)研究還鮮見報(bào)道。在擬南芥中,細(xì)胞分裂素受體AHK2、3和4以及B型反應(yīng)調(diào)節(jié)因子ARR1、10和12以冗余方式參與光誘導(dǎo)的花青素合成[58]。其中,細(xì)胞分裂素的作用部分依賴于光敏色素和隱花色素下游組分HY5,主要依賴于光合電子傳遞產(chǎn)生的信號,且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素有助于抑制轉(zhuǎn)錄因子MYB2 的表達(dá)。以往的研究表明,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)依賴的非α-磷脂酶D(phospholipase D,PLD)的激活是細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的早期事件之一。PLD 是一種磷酸二酯酶,可水解磷脂產(chǎn)生磷脂酸(phospatidic acid,PA),PA 可作為多種環(huán)境和內(nèi)源性信號通路的第二信使[59]。盡管PA 的互作元件和作用模式尚不明確,但通過激活PLD 而使PA 水平發(fā)生改變可能介導(dǎo)著細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)的甜菜色素合成。因此,在未來的研究中,通過對DODA和CYP76AD1等基因以及關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子MYB1進(jìn)行序列分析推測PA 可能存在的結(jié)合位點(diǎn),進(jìn)而闡明PA 在甜菜色素合成調(diào)控中的作用,將會是一個(gè)有趣的研究方向。

綜上所述,目前對于光調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制還所知甚少,對于相關(guān)機(jī)制的推定大多來源于花青素植物的研究。然而,光信號生理和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的闡明、甜菜色素生物合成關(guān)鍵基因的鑒定以及石竹目代表性物種中的生物信息學(xué)分析,這些研究工作都已提供了非常有力的支持和證據(jù),有助于在不遠(yuǎn)的未來深入解析光信號調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制。

3 甜菜色素在植物中的作用

3.1 甜菜色素與花青素的關(guān)系

花青素和甜菜色素互斥,迄今尚未在自然界的任何一種植物中發(fā)現(xiàn)二者同時(shí)存在。然而合成花青素的前體物質(zhì)之一——對香豆酰CoA,是由苯丙氨酸在苯丙氨酸裂解酶(PAL)的作用下生成的,而合成甜菜色素的前體物質(zhì)酪氨酸,則是苯丙氨酸4位被羥基取代后生成的產(chǎn)物,因此兩者合成的前體物質(zhì)存在同源性[60]。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,甜菜色素是石竹目早期進(jìn)化過程中的單一起源色素,而后逐漸消失在合成花青素的譜系中。對于這兩類色素互斥的原因已經(jīng)從遺傳和進(jìn)化的角度進(jìn)行了諸多討論[61-62],一般認(rèn)為,甜菜色素和花青素最初是擁有共同祖先可以共存的,但經(jīng)過漫長的進(jìn)化之后,其中一類色素成為冗余色素導(dǎo)致其功能被選擇性丟失。同時(shí),物種間的競爭、合作和共生作為進(jìn)化的驅(qū)動力、動物對顏色感知的差異等可能造成植物在特定條件下選擇合成甜菜紅素。此外,在細(xì)胞代謝過程中這兩類色素氧化還原能力的差異也使甜菜色素比花青素更具優(yōu)勢[63]。因此,從進(jìn)化的角度來說,一些植物可能更傾向于合成甜菜色素而非花青素。

對于甜菜色素和花青素互斥機(jī)制研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。Shimada等[64]在菠菜和美洲商陸(甜菜色素植物)中鑒定到花青素合成所必需的二氫黃酮醇-4-還原酶(DFR)基因和花青素合成酶(ANS)基因,值得一提的是,這兩類基因都僅在種子發(fā)育過程中的種皮中表達(dá),且都僅用于維持種皮中原花青素的合成,其順式調(diào)節(jié)元件的修飾作用可能抑制DFR和ANS基因在其他組織和器官中的表達(dá),從而阻斷二氫黃酮醇到花青素生物合成的中間步驟[65]。為了研究三角梅(Bougainvillea)不同苞片顏色形成的潛在機(jī)制,Lan等[66]分析了參與甜菜色素和花青素生物合成的全部基因,發(fā)現(xiàn)ANS和DFR在所有品種中表達(dá)水平均極低是限制花青素合成的主要原因,從而進(jìn)一步佐證了上述結(jié)論。同時(shí),Sakuta等[67]的研究顯示,擬南芥MYB 轉(zhuǎn)錄因子PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT1(PAP1)能夠激活來源于菠菜的SoANS啟動子,在仙人掌中過表達(dá)PAP1和PhAN9(區(qū)隔化花青素所需的谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶)能夠造成花青素積累,而來自石竹目植物中的同源PAP卻不能激活A(yù)NS啟動子以誘導(dǎo)花青素合成。通過對石竹目植物PAP的R2R3-MYB結(jié)構(gòu)域進(jìn)行定點(diǎn)突變研究,進(jìn)一步鑒定出了抑制PAP轉(zhuǎn)錄激活的氨基酸殘基,替換該氨基酸殘基后石竹目植物PAP 的轉(zhuǎn)錄激活能力得以恢復(fù)。因此,MYB 轉(zhuǎn)錄因子功能的缺失可能是花青素合成后期相關(guān)基因表達(dá)受到抑制的重要原因,從而導(dǎo)致石竹目植物中無法合成花青素。

雖然自然條件下花青素與甜菜色素在同一植物中不能共存,但隨著合成生物學(xué)技術(shù)發(fā)展,在花青素類植物中引入甜菜色素合成途徑,已能夠?qū)崿F(xiàn)2種色素同時(shí)合成。例如,將甜菜來源的BvCYP76AD1和BvDODA基因,以及紫茉莉來源的葡糖基轉(zhuǎn)移酶基因MjcDOPA5GT在模式植物煙草和經(jīng)濟(jì)作物茄子(SolanummelongenaL.)、番茄(Solanum lycopersicumL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)中表達(dá),能夠增加其愈傷組織中甜菜紅素的含量[68];在煙草中同時(shí)表達(dá)甜菜來源的BvCYP76AD1、BvDODA、MjcDOPA5GT和BvCYP76AD6基因,轉(zhuǎn)基因煙草中甜菜紅素和甜菜黃素均有合成,且對灰霉菌的抗性也顯著提高[69];He等[70]將甜菜色素合成相關(guān)基因CYP76AD1、DODA和GT偶聯(lián)到1個(gè)開放閱讀框“RUBY”中,成功在煙草(Nicotiana tabacumL.)、擬南芥和水稻(OryzasativaL.)中合成了甜菜色素;Sho 等[71]利用農(nóng)桿菌侵染法將BpCYP76AD1、BpDODA1和MjcDOPA5GT等基因過表達(dá)在煙草中,5 d后發(fā)現(xiàn)侵染部位出現(xiàn)暗紅色沉淀,并且在520～534 nm 處具有吸收峰,證明甜菜紅素的合成。在花青素植物中合成甜菜色素不僅有利于增強(qiáng)花青素植物的抗逆性,而且也能夠賦予其更高的營養(yǎng)價(jià)值。此外,甜菜色素和花青素的共同出現(xiàn)也為在同一植物中同時(shí)研究甜菜色素和花青素的生理功能提供了可能性。

3.2 甜菜色素的生物學(xué)功能

甜菜色素可使植物各個(gè)部位呈現(xiàn)出不同色彩以吸引昆蟲授粉,不同的果實(shí)顏色也將吸引鳥類和動物前來取食,從而使得種子被帶往各處,促進(jìn)了植物的傳播和繁殖。富含甜菜色素的植物通常具有極強(qiáng)的抗旱和耐鹽性,生命力頑強(qiáng),能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境。例如,鹽地堿蓬可在3%的高鹽環(huán)境下完成其生活史[72],其中甜菜色素具有非常重要的作用:甜菜紅素可以參與滲透調(diào)節(jié)過程以維持植物體內(nèi)正常的生理活動,甜菜黃素也可以間接參與滲透調(diào)節(jié)過程,通過其合成降解來調(diào)控植物體內(nèi)氨基酸的濃度以維持水分平衡;甜菜紅素還可以作為非酶促抗氧化劑,在逆境條件下清除過量活性氧,以保證植物體內(nèi)細(xì)胞代謝過程的正常進(jìn)行[14];在強(qiáng)紫外線照射下,甜菜色素還可作為“光線過濾器”,對植物起到保護(hù)作用;此外,甜菜色素作為植物體內(nèi)保護(hù)性反應(yīng)中的次生代謝產(chǎn)物,對于增強(qiáng)植物的抗病能力亦有一定作用。

4 甜菜色素的應(yīng)用

4.1 甜菜色素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

甜菜色素作為一種天然色素,在食品、飲料、化妝品和醫(yī)藥等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,其中最主要的用途是作為食品的天然著色劑。甜菜作為甜菜色素的主要來源,甜菜根的濃縮汁可作為食品添加劑,紅甜菜提取物是目前甜菜色素作為食品著色劑的唯一商用來源[73]。國外對于食用甜菜色素的利用已非常普遍,而中國對于甜菜色素的研究尚處于初級階段。雖然民間已有用紅甜菜汁給食品著色的記錄,但在食品染色市場甜菜色素的應(yīng)用并不廣泛,合成色素仍處于優(yōu)勢地位,因此,對于天然甜菜色素的研究還有待突破。

近幾年的研究表明,除了作為優(yōu)良的食品添加劑和著色劑,甜菜色素在其他領(lǐng)域也發(fā)揮著出色作用:例如在棉花中表達(dá)甜菜色素合成的關(guān)鍵酶基因,在不影響棉花纖維產(chǎn)量和質(zhì)量的情況下能夠生產(chǎn)出天然粉紅色棉花,從而取代對自然環(huán)境和人體健康均具有損害作用的合成染料類彩色棉纖維[74];研究表明,添加從甜菜根中提取的甜菜色素到含強(qiáng)酸的鋁制品中,鋁的腐蝕性降低了98%。因此,甜菜色素還可用作抗酸腐蝕的環(huán)保金屬涂層[75]應(yīng)用于食品包裝中,添加甜菜色素的食品包裝薄膜可用來監(jiān)測食品質(zhì)量和檢測包裝環(huán)境,并且這種生物大分子薄膜更易降解且更加環(huán)保[76];在生物技術(shù)領(lǐng)域,利用甜菜色素的熒光特性可使其應(yīng)用于顯微鏡探針中,用于瘧疾感染紅細(xì)胞的熒光檢測,對酪氨酸酶活性進(jìn)行評估,以及通過甜菜醛氨酸與一些氨基酸殘基中的游離胺基縮合反應(yīng)來標(biāo)記蛋白質(zhì)[77];此外,甜菜色素在染料敏化太陽能電池中也有著重要作用,該技術(shù)將光能轉(zhuǎn)化為電能,轉(zhuǎn)換效率取決于著色劑在可見光譜中吸收陽光的能力及其與電池中二氧化鈦半導(dǎo)體相互作用的親合力。因此,甜菜色素的使用為太陽能電池提供了一種生態(tài)環(huán)保可再生的替代品[78]。

4.2 甜菜色素對人類健康的作用

氧化應(yīng)激反應(yīng)會引起機(jī)體一系列生理變化,從而導(dǎo)致一些退化性疾病的發(fā)展。甜菜色素由于具有抗氧化和清除活性氧自由基的功效,以及抗腫瘤、保護(hù)心臟等作用而越來越受到人們的重視[79]?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,甜菜色素在人體內(nèi)具有抗氧化、抗炎癥、抗病毒、降血壓血脂、避免心腦血管疾病和糖尿病,以及減輕肥胖的作用[80];傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中,甜菜色素可用于治療便秘、腸胃和關(guān)節(jié)疼、頭皮屑等疾病[11]。近年來,對于甜菜色素在人類健康中的作用又有了很多新的發(fā)現(xiàn):除了抗氧化功能外,抗癌活性通常被認(rèn)為是甜菜色素的第二大特性,Yin等[81]發(fā)現(xiàn)甜菜紅素具有加速癌細(xì)胞凋亡和縮短癌細(xì)胞周期的作用,從而抑制促炎癥細(xì)胞因子和腫瘤標(biāo)志物的表達(dá),具有廣泛的抗癌活性。也有報(bào)道表明仙人掌科植物提取物中的甜菜色素對結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌和前列腺癌的細(xì)胞活性均具有顯著抑制作用[82];此外,火龍果和假刺莧(Amaranthusdubius)中富含甜菜色素的部位表現(xiàn)出對登革熱病毒的抑制作用,甜菜色素很可能與病毒的包膜蛋白E 作用,通過干擾病毒與宿主的結(jié)合來抑制病毒傳染[83];Rivera等[84]在糖尿病小鼠體內(nèi)添加甜菜色素,發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)具有了抗血脂活性,同時(shí)甘油三酯、膽固醇含量降低且小鼠體重減輕;Wang等[85]的研究表明,甜菜紅素通過提高谷胱甘肽含量和降低髓過氧化物酶MPO 的活性,來降低炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)從而可用于青光眼疾病的治療。綜上所述,甜菜色素在多個(gè)方面都表現(xiàn)出對人類健康具有積極作用,相信未來會有更多關(guān)于甜菜色素的醫(yī)療保健價(jià)值被挖掘出來。

5 展 望

近些年來,對于甜菜色素的研究方興未艾,在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足進(jìn)展。然而,相較于在葉綠素、花青素和類胡蘿卜素研究領(lǐng)域所取得的成果,對于甜菜色素的深入研究還亟待開展。由于甜菜色素與花青素之間的“深厚淵源”,且其自身又具有重要的觀賞價(jià)值和營養(yǎng)保健價(jià)值,因此對于甜菜色素的研究不僅有重要的理論意義,同時(shí)也具有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。本文綜述了甜菜色素的生物合成及轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制、光對甜菜色素合成的影響以及可能的分子機(jī)制、甜菜色素與花青素的關(guān)系以及甜菜色素的應(yīng)用等領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展,希望能夠?yàn)槲磥砀玫匮芯亢烷_發(fā)利用甜菜色素提供思路。

在未來研究中,非常有必要進(jìn)一步挖掘甜菜色素生物合成途徑中其他的基因和酶類,特別是與糖基化和?；磻?yīng)有關(guān)的基因和酶類,這不僅可為闡明甜菜色素結(jié)構(gòu)多樣性的形成機(jī)制奠定理論基礎(chǔ),同時(shí)也有助于利用代謝工程的手段來合成具有不同色彩或更加穩(wěn)定的甜菜色素化合物;此外,光照作為重要的環(huán)境因子之一,在誘導(dǎo)甜菜色素合成中發(fā)揮著重要作用,然而目前對于光信號調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制還所知甚少。鑒于在花青素植物中,光信號調(diào)控色素合成的分子機(jī)制已經(jīng)逐漸明晰,因此,在未來研究中,立足于花青素植物中所取得的研究成果,深入解析光信號調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制也將會是一個(gè)非常有意義的研究領(lǐng)域。