黃鴻曼，袁利兵，彭志紅，任春梅,2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128）

花青素（anthocyanins）是一類重要水溶性色素，屬黃酮類化合物，廣泛分布于植物的花朵、果實、根、莖和葉等營養(yǎng)器官的細胞質(zhì)中，是構(gòu)成花瓣和果實的主要色素之一。花青素在植物體內(nèi)主要以糖苷類化合物存在，因此也稱作花色苷或花色素苷。

花青素在植物體內(nèi)起著重要作用，不僅可以使花朵和果實呈現(xiàn)鮮艷的顏色而具有觀賞價值，也有利于吸引昆蟲和食草動物協(xié)助傳粉和種子傳播，還有助于提高抗逆性；同時，在醫(yī)學界也引起了廣泛關注，已有研究顯示花青素具有抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)血脂、抗腫瘤等一系列生理活性[1]，具有作為保健食品或輔助治療藥物開發(fā)利用的巨大潛力和價值。筆者介紹了花青素生物合成過程中的關鍵酶和基因以及主要的環(huán)境因子對花青素合成的調(diào)控，以便對花青素的合成和調(diào)控有更深入的了解。

1 花青素的生物合成

花青素的生物合成途徑是類黃酮物質(zhì)合成途徑的一個分支，在多種植物中的合成過程已有深入研究；現(xiàn)已闡明，植物的花青素生物合成途徑大體相同，都是以苯丙氨酸為直接前體，由一系列結(jié)構(gòu)基因編碼的合成酶催化合成[2]，其生物合成途徑見圖1。

圖1 花青素生物合成途徑

苯丙氨酸解氨酶（PAL）催化苯丙氨酸脫氨形成肉桂酸，是合成花青素也是合成其他多種化合物如類黃酮和木質(zhì)素的起始酶。PAL由多基因家族編碼，PAL基因的表達受自身發(fā)育和環(huán)境因素雙重調(diào)控。

查耳酮合成酶（CHS）催化丙二酰CoA和4-香豆酰CoA反應生成查耳酮，為花青素和其他類黃酮提供基本骨架結(jié)構(gòu)。CHS的表達對光敏感，紫外光和藍光能夠促進CHS表達，且有協(xié)同作用[3]。

查耳酮異構(gòu)酶（CHI）催化反應的一個最重要的特點是將黃色的查耳酮轉(zhuǎn)變成了無色的黃烷酮，植物體內(nèi)幾乎所有的類黃酮化合物都是從黃烷酮衍生而來的。CHI活性減弱或CHI基因表達降低會導致查耳酮及其衍生物不能被正常催化，類黃酮生物合成途徑無法繼續(xù)向下進行。

黃烷酮羥化酶（F3H）是位于類黃酮合成通路分支點處的關鍵酶，除催化黃烷酮外，還能催化圣草酚、柚皮素、羥基雙氫黃酮的羥基化，生成二氫黃酮醇。二氫黃酮醇是類黃酮3＇-羥化酶(F3′H)和類黃酮 3′，5′-羥化酶（F3′5′H）的共同底物，這兩種酶所催化的反應產(chǎn)物是合成花青素的直接前體[2]。

二氫黃酮醇還原酶（DFR）是催化多種黃烷酮醇轉(zhuǎn)變成相應無色花青素，包括白矢車菊素和白翠雀素。

花青素合成酶（ANS）是一種雙加氧酶，是位于花青素合成通路末端的關鍵酶，催化從無色花青素到有色花青素的轉(zhuǎn)變。

類黃酮3，5-糖苷轉(zhuǎn)移酶（UFGT）使不穩(wěn)定的花青素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的花青素。

相關酶在細胞質(zhì)中組織成以膜為支架位于特定亞細胞位點的多酶復合體，有利于花青素生物合成的總體效率和調(diào)節(jié)[4]?；ㄇ嗨睾铣珊髸M一步修飾，如糖基化、甲基化等，修飾后的花青素通過分子疊加效應和交互作用，在不同的植物中有不同變化，呈現(xiàn)出各種顏色[5]。

2 環(huán)境因子對花青素合成的調(diào)控

2.1 光對花青素合成的調(diào)控

光對植物的生長發(fā)育起著重要的調(diào)節(jié)作用，也是影響花青素合成最重要的環(huán)境因子之一，大多數(shù)植物中花青素的合成需要有光的誘導。光質(zhì)、光強等都會影響花青素的合成與積累，在不同物種中的影響也不同[6]。

在花青素的合成和積累過程中，不同的光質(zhì)對花青素的調(diào)控作用效果不同。UV-B可以誘導花朵和葉片中花青素的合成；UV-A可以特異性誘導番茄幼苗和果實中PAL的表達和花青素的合成，但對其他植物的花青素合成影響較小[7]。藍光和紅光對在矮牽?；ㄇ嗨亟Y(jié)構(gòu)基因的誘導表達效果相似，而綠光卻會稍弱相關基因的表達量[8]。

研究發(fā)現(xiàn)，強光可以同時誘導結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達，如擬南芥中的結(jié)構(gòu)基因CHS、F3H、DFR和調(diào)節(jié)基因PAP1、PAP2[9]；強光上調(diào)矮牽牛CHS、CHI和FLS，但會造成野生型Mitchell中的DFR和ANS基因的弱表達[6]。黑暗或弱光處理下結(jié)構(gòu)基因的表達量會下調(diào)甚至不表達，從而抑制花青素的合成，使植株出現(xiàn)白花或淺色花。紫蘇在弱光下CHS、F3H、DFR和UFGT等的表達量下調(diào)，黑暗處理矮牽牛野生型Mitchell會導致DFR和ANS基因不表達[6]。

2.2 溫度對花青素合成的調(diào)控

溫度對花青素生物合成相關基因的表達起著至關重要的作用，是影響花青素積累的另一個主要環(huán)境因子。低溫會促進花青素的合成，高溫使植物分解代謝加劇，導致花青素合成減少和分解增加。夜間高溫會抑制葡萄 CHS、F3H、DFR、LDOX 和UFGT的表達，降低酶活性，尤其是UFGT，能導致果皮中的花青素積累減少[10]；對其他很多物種如玉米、擬南芥和矮牽牛等的研究中也有同樣的發(fā)現(xiàn)。低溫則已證實可以誘導多種植物幼苗花青素積累，會提高擬南芥幼苗中HY5/HYH轉(zhuǎn)錄因子水平，促進CHS、CHI、F3H和DFR的表達，從而誘導花青素的積累[11]。

2.3 糖對花青素合成的調(diào)控

在植物的生長發(fā)育過程中，糖不僅作為重要的碳源和構(gòu)成碳骨架參與花青素的合成，還作為一種信號分子，通過特異的信號轉(zhuǎn)導途徑調(diào)節(jié)花青素合成相關酶基因的表達而影響植物花青素的積累。研究表明，糖可以顯著影響多種植物花青素的積累。矮牽?；ü诘闹枰堑膮⑴c[12]，在葡萄表皮中也發(fā)現(xiàn)糖會誘導大部分花青素合成相關基因的表達[13]。不同種類的糖對植物花青素積累的影響不同，蔗糖是誘導花青素積累的主要糖類，能夠特異性地誘導擬南芥中的花青素積累[14]，上調(diào)葡萄中的DFR/ANS和LDOX基因，使得花青素強烈增加[15]；相對于蔗糖，果糖和葡萄糖對擬南芥花青素的積累影響甚微[14]。除蔗糖外，其他生理性糖如葡萄糖和果糖對花瓣花青素的積累同樣有效[16]，而非生理性糖如半乳糖和甘露糖，對花青素的生物合成沒有影響，但甘露糖己糖激酶磷酸化后可以促進花青素相關基因的表達[17－18]。

通過植物體中的多種糖信號系統(tǒng)對糖的復雜感知和糖信號的轉(zhuǎn)導機制，蔗糖調(diào)控擬南芥大部分結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達[14，19]，調(diào)控蘿卜下胚軸中的CHS和ANS基因的表達[20]。總之，花青素的形成必須有糖的存在，但糖對花青素的影響還會受到其他因素的制約。

3 各因素之間的相互作用對花青素合成的調(diào)控

除了光、溫度和糖以外，激素、水分、礦質(zhì)元素等因子也可以調(diào)控花青素的合成，而且各因子對花青素的調(diào)控往往不是單獨進行的，可能同時還受到其他因素的影響或與其他因素一同進行花青素的調(diào)控。王曼等[21]研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖參與藍光對擬南芥葉片CHS基因表達的誘導，缺乏蔗糖會降低藍光誘導的花青素積累。低溫會明顯誘導擬南芥花青素的積累，但這需要光的參與[11]。蔗糖和激素處理擬南芥，發(fā)現(xiàn)赤霉素會抑制蔗糖誘導的花青素合成，而茉莉酸和脫落酸會與糖協(xié)同作用誘導花青素[22]。

4 結(jié)語

近年來有關花青素生物合成與調(diào)控機制的研究取得了很大進展，參與合成的結(jié)構(gòu)基因在很多植物中得到了克隆與表達分析，對各種因素調(diào)控花青素合成的研究也有一定的成果。多種因素形成一個復雜的系統(tǒng)來調(diào)控花青素的合成，而目前的研究大多集中于單一因素，多種因素對花青素合成的綜合影響效應和機制尚不明確，因此花青素的多因素調(diào)控機制還有待進一步研究。闡明花青素合成調(diào)控系統(tǒng)對于明確植物代謝調(diào)控機制有著重要研究意義，并且具有廣泛的應用前景，特別是在觀賞植物育種改良、果樹育種、食品保健品開發(fā)上顯示出極大的應用價值。

[1]方忠祥，倪元穎.花青素生理功能研究進展[J].廣州食品工業(yè)科技，2001（3）：60-62.

[2]Springob K,Nakajima J,Yamazaki M,et al.Recent advances in the biosynthesis and accumulation of anthocyanins[J].Nat Prod Rep,2003,20（3）：288-303.

[3]Tsukaya H,Ohshima T,Naito S,et al.Sugar-dependent expression of the CHS-A gene for Chalcone Synthase from Petunia in transgenic Arabidopsis[J].Plant Physiol,1991,97 （4）：1414-1421.

[4]趙昶靈，郭華春.植物花色苷生物合成酶類的亞細胞組織研究進展[J].西北植物學報，2007，27（8）：1695-1701.

[5]Chalker-Scott L.Environmental significance of anthocyanins in plant stress responses[J].Photochemistry and Photobiology,1999,70（1）：1-9.

[6]Albert N W,Lewis D H,Zhang H,et al.Light-induced vegetative anthocyanin pigmentation in Petunia[J].J Exp Bot,2009,60（7）：2191-2202.

[7]Guo J,Wang M.Ultraviolet A-specific induction of anthocyanin biosynthesis and PAL expression in tomato （Solanum lycopersicumL.）[J].Plant Growth Regulation,2010,62（1）：1-8.

[8]Moscovici S,Moalem-Beno D,Weiss D.Leaf-mediated light responses in Petunia flowers [J].Plant Physiol,1996,110（4）：1275-1282.

[9]Cominelli E,Gusmaroli G,Allegra D,et al.Expression analysis of anthocyanin regulatory genes in response to different light qualities in Arabidopsis thaliana[J].Journal of Plant Physiology,2008,165（8）：886-894.

[10]Mori K,Sugaya S,Gemma H.Decreased anthocyanin biosynthesis in grape berries grown under elevated night temperature condition[J].Scientia Horticulturae,2005,105（3）：319-330.

[11]Zhang Y,Zheng S,Liu Z,et al.Both HY5 and HYH are necessary regulators for low temperature-induced anthocyanin accumulation in Arabidopsis seedlings[J].Journal of Plant Physiology,2011,168（4）:367-374.

[12]Weiss D,Blokland R V,Kooter J M,et al.Gibberellic Acid regulates Chalcone Synthase gene transcription in the corolla of Petunia hybrida[J].Plant Physiol,1992,98（1）:191-197.

[13]Gollop R,Farhi S,Perl A.Regulation of the leucoanthocyanidin dioxygenase gene expression in Vitis vinifera[J].Plant Science,2001,161（3）:579-588.

[14]Solfanelli C,Poggi A,Loreti E,et al.Sucrose-specific induction of the anthocyanin biosynthetic pathway in Arabidopsis[J].Plant Physiol,2006,140（2）:637-646.

[15]Gollop R,Even S,Tsolova V C,et al.Expression of the grape dihydroflavonol reductase gene and analysis of its promoter region[J].Journal of Experimental Botany Journal of Experimental Botany,2002,53（373）:1397-1409.

[16]孟祥春，張玉進，王小菁.非洲菊花序的離體培養(yǎng)及其舌狀花花色素苷積累的調(diào)控[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2005，26（3）：56-59.

[17]Moalem-Beno D,Tamari G,Leitner-Dagan Y,et al.Sugar-dependent gibberellin-induced Chalcone Synthase gene expression in Petunia Corollas[J].Plant Physiol,1997,113（2）:419-424.

[18]Neta-Sharir I,Shoseyov O,Weiss D.Sugars enhance the expression of gibberellin-induced genes in developing petunia flowers[J].Physiologia Plantarum,2000,109（2）:196-202.

[19]Teng S,Keurentjes J,Bentsink L,et al.Sucrose-specific induction of anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis requires the MYB75/PAP1 gene[J].Plant Physiol,2005,139（4）：1840-1852.

[20]Hara M,Oki K,Hoshino K,et al.Enhancement of anthocyanin biosynthesis by sugar in radish （Raphanus sativus）hypocotyl[J].Plant Science,2003,164（2）:259-265.

[21]王 曼，王小菁.藍光和蔗糖對擬南芥花色素苷積累和CHS基因表達的影響[J].熱帶亞熱帶植物學報，2004，12（3）：252-256.

[22]Loreti E,Povero G,Novi G,et al.Gibberellins,jasmonate and abscisic acid modulate the sucrose-induced expression of anthocyanin biosynthetic genes in Arabidopsis[J].New Phytol,2008,179（4）:1004-1016.