薔薇科果樹花色苷的研究進展

邢　昱 肖坤 蘇凱 張晨光 劉春生 李剛 李曉潁

摘 要：花色苷是一種存在于植物組織和器官中，賦予它們豐富色彩并具有多種生物活性的色素，在食品、醫療及保健品行業具有廣泛的應用前景。果實中的花色苷是影響果實品質形成的重要因素。本研究通過綜合國內外薔薇科果樹花色苷的研究進展，闡述了花色苷的生物合成途徑、轉錄調控以及影響花色苷生物合成的因素，使人們更深入地了解花色苷在果實生長發育過程中的代謝方式與途徑，同時對今后高效利用花色苷提供了前瞻性的建議。

關鍵詞：薔薇科果樹；花色苷；果實

中圖分類號：S661.1文獻標識碼：ADOI編碼：10.19440/j.cnki.1006-9402.2024.01.001

薔薇科果樹往往具有較高的經濟價值，如蘋果亞科中的蘋果、梨、山楂，李亞科的桃、李、杏、櫻桃，還有薔薇亞科的草莓、樹莓等果樹。薔薇科果實大多色彩艷麗，花色苷含量豐富?；ㄉ眨ˋnthocyanin）是廣泛存在于植物的果實、花、葉、莖、根等組織液泡中的一種水溶性植物色素，也是果實品質重要的組成成分之一[1-2]?；ㄉ赵诓煌釅A度或金屬離子作用下可呈現紅色、藍色等顏色，因而可賦予植物組織和器官五彩繽紛的色彩[3]?；ㄉ罩饕绊懜叩戎参锔?、葉、莖、花和果等器官，研究表明大多薔薇科果樹不同組織均有花色苷物質的存在。在蘋果[4]果皮中，桃[5]、李[6]和櫻桃[7]果肉中，顏色的形成都與花色苷的存在密切相關。

花色苷的抗氧化和自由基清除的生物活性可以預防多種疾病，對維持眼睛健康、調節代謝等方面均可發揮一定作用[8]。目前花色苷已成為育種研究和果實評價的重要指標。開展果實花色苷的研究不僅有助于理解花色苷合成與代謝途徑，還對選育新品種時高效利用花色苷，提高果實品質具有重要的意義。

1 花色苷的生物合成與轉錄調控

1．1 花色苷的結構 花色苷由花色素和糖經糖苷鍵縮合而成[9]?；ㄉ盏慕Y構如圖1所示，其基本碳骨架為C6-C3-C6[10]，兩個芳香環A和B由一個含氧六元雜環C隔開，是2-苯基苯并吡喃陽離子的多羥基和多甲氧基衍生物[11]?；ㄉ战Y構上的差異決定了其生物學性狀和功能的多樣性[12]。

6種花色苷取代基位置及顏色見表1，植物中花色苷主要以矢車菊素（Cyanidin）、天竺葵素（Pelargonidin）、飛燕草素（Delphenidin）、芍藥素（Peonidin）、錦葵色素（Malvidin）、矮牽牛素（Petunidin）這六種形態存在[4]。六種色素在A環和C環上具有相同的結構，但B環上有不同數量的羥基和甲氧基[13]。矢車菊素是自然界中最常見的花色苷，在B環的C3和C4處有兩個羥基[14]，在果實中表現橙色或紅色。天竺葵素是主要的花色苷組成成分之一，在B環的C4位發生羥基化，主要表現為紅色或洋紅色。飛燕草素在B環的C3、C4和C5有三個羥基，并表現為紫色或藍色。芍藥素是通過C3位置的單一甲基化產生的，錦葵色素則由C3和C5位置的雙氧甲基化而來。矮牽牛素是由飛燕草素在C3上再進行一次甲基化而來的[15]。

花色苷的共軛結構使其在紫外光區和可見光區都有顯著吸收，吸收波長范圍在494～510 nm?；ㄉ盏奈舛仁艿搅u基或甲氧基在B環上的取代影響，B環上的羥基取代越多，花色苷在可見光范圍內的最大吸收就越大。B環上鄰位和對位羥基的存在也會促進更長波長的光吸收和紅移[16]。因此，花色苷使植物器官呈現出眾多的色彩，也在果實上表現出顏色特有的特征。

1．2 花色苷的生物合成途徑 花色苷生物合成途徑是類黃酮類生物合成途徑的分支之一[17]?；ㄉ蘸铣墒怯杀奖彼嵬ㄟ^苯丙烷代謝途徑合成香豆酰輔酶A，然后參與類黃酮的合成，接著與丙二酰輔酶A反應生成查爾酮，并在內環生成二氫黃酮醇后分配到不同的途徑，最后分別合成各類型花色苷，其中涉及到多種酶的配合[18]。圖2是花色苷的生物合成途徑[19]。

PAL：苯丙氨酸解氨酶；C4H：肉桂酸4-羥化酶；4CL：4-香豆酸輔酶Ａ連接酶；CHS：查爾酮合酶；CHI：查爾酮異構酶；F3H：黃烷酮？-羥化酶；F3′5′Ｈ：類黃酮？′5′羥化酶；F3′Ｈ：類黃酮？′羥化酶；DFR：二氫黃酮醇4-還原酶；ANS：花色苷合酶；UFGT：黃酮-3-葡糖基轉移酶；GST：谷胱肽Ｓ轉移酶；MATE：多藥毒性排除轉運體；ABC：ATP結合盒。

在第一階段以苯丙氨酸和乙酸作為黃酮類物質的直接合成前體，在苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羥化酶（CH4）、4-香豆酸輔酶Ａ連接酶（4CL）和乙酸-CoA羧化酶的催化作用下合成4-香豆酰CoA和丙二酰CoA這兩個底物[20]。上述兩個底物在第二階段進行反應，首先是在查爾酮合酶（CHS）的催化下發生縮合反應，從而合成四羥基查爾酮，緊接著在查爾酮異構酶（CHI）催化作用下生成類黃酮的直接前體物質，即柚皮素，隨后在黃烷酮3-羥化酶（F3H）催化作用下，生成羥基化產物二氫黃酮醇。在類黃酮3'5'羥化酶（F3'5'Ｈ）、類黃酮5'羥化酶（F5'Ｈ）的催化下二氫黃酮醇會發生不同程度的羥基化反應，分別合成二氫楊梅黃酮和二氫櫟皮酮。在第三階段中利用二氫黃酮醇4-還原酶（DFR）的選擇性催化特性將上述3種二氫黃酮醇還原為無色且不穩定的花色素，再利用花色苷合酶（ANS）脫水氧化生成有色不穩定的飛燕草素、天竺葵素和矢車菊素這三類花色素[21]。最終通過類黃酮-3-葡糖基轉移酶（UFGT）將葡萄糖轉移到花色素分子的羥基上生成糖苷鍵，在對應的糖基轉移酶作用下形成花色苷[20]。三類花色苷通過甲基化、?；刃揎椛伤{紫色的錦葵素、磚紅色的花葵素和紫紅色的芍藥素?；ㄉ赵趦荣|網中合成后通過囊泡與谷胱甘肽Ｓ-轉移酶（GST）、多藥毒性排除轉運體（MATE）、ATP-結合盒（ABC）等轉運蛋白運輸到液泡中保存[22]。

1．3 花色苷的轉錄調控 有研究表明，MYB轉錄因子可以影響花色苷的合成。MdMYB10基因通過誘導下游基因DFR的表達進而正調控果實中花青素的合成，推測MYB10是薔薇科植物果實呈色的關鍵調控因子[23]。比如梨（Pyrus pyrifolia）中分離出2個MYB轉錄因子（PbMYB9和PbMYB10b）并進行功能驗證，發現其參與花色苷合成[24]。草莓中發現MYB10基因能促進花色苷含量的積累，并起到正向調控的作用[25]。

在MYB轉錄因子中，除了MYB相關的轉錄因子外，還有一段會影響花色苷合成的保守DNA結合區域（MYB結構域）。其中有一個被稱為R3-MYB的MYB結構域，R3-MYB一方面通過抑制MBW（MYB-BHLH-WD40復合體）調控花色苷結構基因來阻礙其合成[26]，另一方面，對花色苷生成有直接的抑制作用。R3-MYB在秋姬李中會抑制正調控轉錄因子PSMYB10.1和PSBHLH3對合成花色苷基因PSDFR和PSANS的促進作用，從而阻礙其合成[27]。但是在桃、蘋果中發現R2R3-MYB可以直接與MdGSTF6的啟動子結合促進花色苷合成[28-29]。

相關研究表明參與花和種皮色素沉著的遺傳位點中，有一個基因座編碼bHLH轉錄因子[30]，該基因位點對花色苷生物合成的調控作用也十分顯著。近幾年的研究中，植物中的BHLH33轉錄因子常與MYB互作，調控結構基因的表達以影響花色苷合成。例如，蘋果中的MDBHLH33可與轉錄抑制基因MDMYB16互作形成異源二聚體，從而減弱MDMYB16對花色苷的抑制作用來保證其正常合成[31]。在桃中，MYB10.1和BHLH3轉錄因子對合成花色苷也有促進作用[32-33]。

2 花色苷生物合成的影響因素

花色苷由于本身非常不穩定，容易受到溫度、光照等外部環境因素的影響[34]。研究表明，溫度可以通過影響花色苷合成相關酶的活性間接影響花色苷的合成[35]。在高溫環境下，相關酶的活性下降導致花色苷的合成受到抑制，同時花色苷的穩定性遭到破壞，導致花色苷含量大幅下降[36]。

花色苷的合成中光照也具有重要影響，光質、光照強度和照射時間均會影響花色苷的生物合成[37]。研究發現，蘋果果實在強光照條件下，花色苷合成相關基因的表達水平和遮光果實相比顯著上升，其中MdMYB1基因的表達量增加了20～25倍[38]。此外，在草莓果實中，花色苷合成相關基因的表達量與光照強度呈正相關，強光照條件下果實中花色苷含量顯著增加[39]。另外的研究指出，紅光和綠光對桃果皮的顏色并無明顯影響，白光有微弱促進作用，而藍光能顯著促進桃果皮顏色的提升[40]。

花色苷的合成除了受外部影響以外，還受內部因素的影響。比如糖就是一個影響花色苷合成和色澤的重要因素。田夢瑤等[41]采用了200 mmol/L蔗糖處理采收后的桃果實，發現這種處理能夠促進果皮中花色苷含量的積累，不僅能調節相關酶的活性，還促進花色苷相關基因的上調表達。另一方面，賈海峰等[42]研究發現用蔗糖處理成熟期草莓也能提高果實中的可溶性糖和花色苷含量。

3 展望

一些國家已將花色苷類色素開發成為功能性食品和藥品，在化妝品、醫藥等領域具有巨大的應用潛力。不僅如此，花色苷在食品方面的作用也不容忽視?；ㄉ蘸坎粌H影響果實顏色的變化，還與果實的內在品質密切相關。因此，了解花色苷對果實生長發育的影響，研究果實中花色苷的含量和分布，不僅能夠為果實的生產和雜交育種提供理論依據，對提高果實的利用率、產量和品質也具有重要意義。

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