黃 晨 ,張 威 ,任紅旭

(1 中國(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049;4 國(guó)家植物園,北京 100093;5 中國(guó)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(lèi)胡蘿卜素并稱(chēng)為四大類(lèi)天然植物色素。相較于其他三類(lèi)分布廣泛且較為常見(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(mén)和細(xì)菌譜系中的某些重氮營(yíng)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(lèi)型的甜菜紅素和以氨基酸為輔基類(lèi)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(lèi)指標(biāo),在植物進(jìn)化和分類(lèi)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(lái)已取得多項(xiàng)重要研究進(jìn)展[6-9]。鑒于國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)甜菜色素和花青素的關(guān)系以及光照對(duì)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(duì)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(duì)國(guó)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(kāi)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(zhǎng)-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(kāi)環(huán)多巴,4,5-開(kāi)環(huán)多巴經(jīng)過(guò)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(cè)出酪氨酸酶的活性。然而,對(duì)于酪氨酸酶在甜菜色素合成中的作用近年來(lái)也頗有爭(zhēng)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(mǎn)爭(zhēng)議。研究證明,在甜菜色素合成過(guò)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(huì)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(duì)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(kāi)環(huán)多巴經(jīng)過(guò)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(kāi)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(kù)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(lái)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(lái)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(wú)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酰基化

甜菜紅素的合成過(guò)程較甜菜黃素復(fù)雜,需要經(jīng)過(guò)糖基化和?；^(guò)程。甜菜紅素的糖基化主要有2種方式:(1)酪氨酸通過(guò)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(lèi)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(shuō)明二者在糖基化過(guò)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(lái)源于糖基化反應(yīng)外,還與合成過(guò)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?jiàn)的羥基肉桂酰基等。

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(dòng)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(guò)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(hào)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(hào)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(guò)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(dòng)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B(niǎo)vMYB1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(lái)。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(lèi)屬于1R-MYB 亞家族的R-R 型轉(zhuǎn)錄因子HuMYB132,它通過(guò)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(duì)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(guò)與bHLH、WD40互作共同調(diào)控花青素的合成[6],而B(niǎo)vMYB1、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(wú)法合成花青素。近來(lái),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(guò)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(guò)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(dòng)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(shuō)明某些轉(zhuǎn)座子可能也對(duì)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(duì)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(guò)氧化物酶降解,而甜菜黃素更易于被過(guò)氧化氫氧化[13]。研究發(fā)現(xiàn),過(guò)氧化物酶、葡萄糖苷裂解酶和多酚過(guò)氧化物酶可通過(guò)協(xié)同作用使甜菜色素降解[14]。

2 光照對(duì)甜菜色素生物合成的影響

光作為重要的環(huán)境信號(hào)之一,能夠觸發(fā)植物色素合成等生理過(guò)程。對(duì)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(duì)于光以及其他環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)機(jī)制是保守進(jìn)化的。鑒于2種色素合成過(guò)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(duì)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(duì)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(hào)的調(diào)控[27]。盡管目前普遍認(rèn)為光照對(duì)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(zhēng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明短波長(zhǎng)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(duì)甜菜色素的合成具有促進(jìn)作用。對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)黑暗中生長(zhǎng)的雁來(lái)紅幼苗施以激動(dòng)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(zhǎng)在蒸餾水中的尾穗莧幼苗,無(wú)論是在黑暗還是光照下都只能合成莧菜紅素,而當(dāng)激動(dòng)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(lái),再添加多巴底物又能進(jìn)一步誘導(dǎo)出甜菜黃素[43],說(shuō)明光和激動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明UV-B促進(jìn)甜菜色素的合成可能是通過(guò)激素調(diào)節(jié)的,但相關(guān)證據(jù)還不夠充分,因而通過(guò)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(duì)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(duì)此,推測(cè)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(huì)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(jiàn),光照對(duì)甜菜色素的誘導(dǎo)作用也依賴(lài)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(lài)的方式與調(diào)控花青素合成的關(guān)鍵靶基因的啟動(dòng)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(jiàn)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(dòng)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(huì)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]。基于以上在花青素植物中的研究結(jié)果,筆者推測(cè)在甜菜色素的生物合成中,光和溫度也具有類(lèi)似的協(xié)同調(diào)控作用,對(duì)此需通過(guò)更進(jìn)一步深入研究來(lái)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(duì)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(guò)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交匯點(diǎn),調(diào)控著植物光信號(hào)響應(yīng)基因的表達(dá)。

對(duì)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(lèi)色素的合成[54],過(guò)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(guò)激活HY5來(lái)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(lài)于HY5 的存在而在翻譯水平上對(duì)MYB2進(jìn)行抑制[55]。序列對(duì)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(duì)藜麥DODA和CYP76AD1的啟動(dòng)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(duì)miRNA 目標(biāo)序列進(jìn)行預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)其目標(biāo)序列也保守存在于甜菜色素類(lèi)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(jiàn)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(lài)于光敏色素和隱花色素下游組分HY5,主要依賴(lài)于光合電子傳遞產(chǎn)生的信號(hào),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(lài)的非α-磷脂酶D(phospholipase D,PLD)的激活是細(xì)胞分裂素信號(hào)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(hào)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(guò)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(lái)的研究中,通過(guò)對(duì)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(cè)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(huì)是一個(gè)有趣的研究方向。

綜上所述,目前對(duì)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(duì)于相關(guān)機(jī)制的推定大多來(lái)源于花青素植物的研究。然而,光信號(hào)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(lái)深入解析光信號(hào)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(duì)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(guò)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(duì)于這兩類(lèi)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(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化之后,其中一類(lèi)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(jìng)爭(zhēng)、合作和共生作為進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力、動(dòng)物對(duì)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(guò)程中這兩類(lèi)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(shì)[63]。因此,從進(jìn)化的角度來(lái)說(shuō),一些植物可能更傾向于合成甜菜色素而非花青素。

對(duì)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(lèi)基因都僅在種子發(fā)育過(guò)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(lái)源于菠菜的SoANS啟動(dòng)子,在仙人掌中過(guò)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(lái)自石竹目植物中的同源PAP卻不能激活A(yù)NS啟動(dòng)子以誘導(dǎo)花青素合成。通過(guò)對(duì)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(wú)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(lèi)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(lái)源的BvCYP76AD1和BvDODA基因,以及紫茉莉來(lái)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(lái)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(duì)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(kāi)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(guò)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(yíng)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(chóng)授粉,不同的果實(shí)顏色也將吸引鳥(niǎo)類(lèi)和動(dòng)物前來(lái)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(guò)程以維持植物體內(nèi)正常的生理活動(dòng),甜菜黃素也可以間接參與滲透調(diào)節(jié)過(guò)程,通過(guò)其合成降解來(lái)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(guò)量活性氧,以保證植物體內(nèi)細(xì)胞代謝過(guò)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(guò)濾器”,對(duì)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(duì)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(lái)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(lái)源[73]。國(guó)外對(duì)于食用甜菜色素的利用已非常普遍,而中國(guó)對(duì)于甜菜色素的研究尚處于初級(jí)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(chǎng)甜菜色素的應(yīng)用并不廣泛,合成色素仍處于優(yōu)勢(shì)地位,因此,對(duì)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(duì)自然環(huán)境和人體健康均具有損害作用的合成染料類(lèi)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(lái)監(jiān)測(cè)食品質(zhì)量和檢測(cè)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(cè),對(duì)酪氨酸酶活性進(jìn)行評(píng)估,以及通過(guò)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(lái)標(biāo)記蛋白質(zhì)[77];此外,甜菜色素在染料敏化太陽(yáng)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(jiàn)光譜中吸收陽(yáng)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(yáng)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(duì)人類(lèi)健康的作用

氧化應(yīng)激反應(yīng)會(huì)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(lái)越受到人們的重視[79]。現(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(lái),對(duì)于甜菜色素在人類(lèi)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(duì)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(duì)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(guò)干擾病毒與宿主的結(jié)合來(lái)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(guò)提高谷胱甘肽含量和降低髓過(guò)氧化物酶MPO 的活性,來(lái)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(duì)人類(lèi)健康具有積極作用,相信未來(lái)會(huì)有更多關(guān)于甜菜色素的醫(yī)療保健價(jià)值被挖掘出來(lái)。

5 展 望

近些年來(lái),對(duì)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(zhǎng)足進(jìn)展。然而,相較于在葉綠素、花青素和類(lèi)胡蘿卜素研究領(lǐng)域所取得的成果,對(duì)于甜菜色素的深入研究還亟待開(kāi)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(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值,因此對(duì)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(kāi)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(duì)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?lái)更好地研究和開(kāi)發(fā)利用甜菜色素提供思路。

在未來(lái)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(lèi),特別是與糖基化和?；磻?yīng)有關(guān)的基因和酶類(lèi),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(lái)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(duì)于光信號(hào)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(hào)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(lái)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(hào)調(diào)控甜菜色素生物合成的分子機(jī)制也將會(huì)是一個(gè)非常有意義的研究領(lǐng)域。