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花色素苷生物合成相关基因的研究进展

来源：花匠小妙招时间：2025-01-08 08:37

1、花色素昔生物合成相关基因的研究进展张剑亮，王继华，吕冰，安康，曹十（广东省农业科学院作物研究所，广东广州510640）摘要：关键词：类黄酮化合物是植物次生代谢产物的一部分。类黄酮化合物可以以单体、二聚体和寡聚体的形式存在，几乎分布在植物所有的组织中，但主要在液泡中。它们也以有色寡聚/多聚分子混合物的形式存在于各种心材和树皮中。花色素昔是类黄酮类化合物中最重要的一类化合物。花色素常以昔类形式存在于植物细胞液泡中。花色素昔除了作为花、果实和种子的主要色素之外，还有其他多种功能。特异的类黄酮化合物还可以吸收紫外线，使植物免受紫外线B的辐射，从而防止紫外线对植物的伤害（Ebel and Hahlbrock, 1982）；参与调节植物对生长素的反应（Jacobs and Rubery, 1988; Harborne and Williams, 2000）；具有类似外激素的功能，吸引昆虫授粉。现今，人们之所以对花色素昔类化合物产生浓厚的兴趣，主要还是因为它给人类的身体健康带来很大的益处。饮食中的花色素昔类化合物可能对许多疾病具有预防和治疗作用。许多研究显示花色素昔类合物可以预防中风、

2、抑制肿瘤发育，具有抗炎性，口服花色素昔对糖尿病和溃疡有好处。花色素昔类化合物作为一类类黄酮，同时也具备类黄酮的一般生理活性。大量研究已证实红葡萄酒的健康效果（特别是预防心血管疾病）与其所含有的花色昔及其聚合物密不可分。目前市场已出现以花色素昔为主要有效成分的改善视力的功能性或保健食品。不过，要注意的是不同种类的花色素昔的生理功能定位可能会有所不同。总之，花色素昔类化合物作为一类功能性基料，在功能性食品领域具有很好的应用前景（唐传核，2005）。1花色素昔的生物合成途径花色素昔的生物合成（图1.2）是由丙二酰CoA和香豆酰CoA在查尔酮合成酶（CHS； EC 2.3.1.74）催化下产生查尔酮开始的。其中香豆酰CoA是从苯丙氨酸经过多步酶促反应形成的。苯丙氨酸脱氨酶（PAL； EC 4.3.1.5）是这一系列酶反应中的第一个酶。该酶将苯丙氨酸转化为肉桂酸，将酪氨酸转化为P 一香豆酸。该合成途径也是合成其他多种化合物（如类黄酮、木质素、芪类化合物和香豆素等）的起始点，因此受到发育和多种外界环境因素的调控。苯丙氨酸（phenylaiamne）（PAL）肉桂酸（cinnam

3、icacid）（C4H） 4香豆酸（4-coumaric acid） 4CL）木质泰，香豆素、酯类等 V 主香豆KCoA egimamyl-CoA CHS 丙二酰 CoA嗅哧（aurone）（黄色Yr四船基查尔酬（苯基翠乙烯桐）黄陶（flavone）（无色）（4.2W6iRtraliYdrcixychalcon曰）（黄色）异黄禅.（isoflavoae.）（无色）mX黄烷酮（flavanone；（无色）芹菜黄紫apigenin）111宗黄素（kaempferol）（即：柑橘素Maringenin）fLS, F3H黄酮醇tflavonot（无色J 了二氮黄画牌（dihydicjflavcno!） t无色）二玺扬梅黄酮（即戏氧山奈黄素）CdihydrokaeinpferoJFDHK）（即杨梅黄素,dihydromyricelinh DHM：DFR,ANS,3G/天竺葵紫花婆素）-3-葡萄情苜做红色】v F3H】,DF&ANW拓T（pelargonidin-GluCdsiJ二组据皮丽（无色J翠雀素飞燕草囊）-3-幅勒慵昔（蓝色）（即撕皮黄 jdihydroquerceiin, DHQ

4、）（delphin 记 in3GLkimsi（k），DFR,AN$,3GT花背素-3-荷篇概昔（红色）Cyani血-30ugide）图1.2类黄酮的生物合成途径（赵昶灵等，2003）Fig 1.2 Biosynthetic pathway of flavonoids黄烷酮在黄烷酮-3-羟化酶（F3H； EC 1.14.11.9）的催化下，C环第三位置羟化而形成二氢黄酮醇。该酶在一般条件下不稳定。由F3H催化所生成的二氢黄酮醇，通常是其他两种酶B 一环羟化酶，即二氢黄酮醇3羟化酶（F3H）和二氢黄酮醇35羟化酶（F35H）的底物。由F3H、F3H和F35H三种羟化酶所催化反应的产物是合成花色素苷的直接前体。二氢黄酮醇被羟化的程度和位置不同，将决定最终合成的花色素苷的种类和花的颜色。如果B 环的3和5位置都被羟化，二氢黄酮醇将变成二氢杨梅黄酮，这是蓝紫色的翠雀素糖苷的直接前体；如果B环只有3位置被羟化，将变成二氢栋皮酮，这是红色的花青素糖苷的直接前体；如果3和5位置都没有被羟化，则转变成砖红色的花葵素糖苷。CHII.F3Mdephiiikdin derivotesi cywid

5、in dlerival#4quercietinmolonyi/o 内(dfr bocjt ,yi . FtS | a myrl&StinphraiykldninE*网曲出册扁物 cyamdin darivatei procydiudns f quercelinffidcmyKMphenyidorine:&寸 cyflmd i n dcri vn*tfha quercetinkompfrolpelaronicEn derivates图1.3类黄酮化合物生物合成途径中果实中参与花色素和黄酮醇合成的酶类及其大分子复合物模型A.产生杨梅素和槲皮素，进而生成翠雀素和矢车菊素来源的花花色素苷模型；B.产生槲皮素，进而产生矢车菊素来源的花色素苷模型；C.产生山奈素和槲皮素，进而生成天竺葵素和矢车菊素来源的花色素苷模型(Jaakola et al., 2002)。Fig 1.3 Models for the organization of flavonoid pathway enzymes for production of anthocyanidins and flavonols in fruit

6、s, supposedly as macromolecular complexes at the endoplasmic reticulum. A, Model for the production of myricetin and quercetin in connection to delphinidin- and cyanidin-derived anthocyanins. B, Model for the production of quercetin in connection with cyanidin-derived anthocyanins. C, Model for the production of kaempferol and quercetin in connection with cyanidin- and pelargonidin-derived anthocyanins (strawberry, raspberry partially).从二氢黄酮醇转变成花色素苷的反应非常复杂，需要几个不同酶的作用。其中一些已被证实。由于这个过程的复杂性和中间产物的不稳

7、定，精确的反应过程还没有完全搞清楚。二氢黄酮醇一4 一还原酶(DFR)是将二氢黄酮醇转变成花色素苷的第一个酶。该反应需要 NADPH，其产物是不稳定的无色花色素。花色素合成酶ANS)是一个加双氧酶，催化从无色花色素到花色素的转变。这个过程还没有完全搞清楚，也许需要第二个酶，可能是个脱氢酶的作用(Heller and Ferkmann.,1988)。不稳定的花色素形成后，类黄酮一葡糖基转移酶 (UFGT； EC 2.4.1.9)进一步催化，促使糖苷化转变成稳定的花色素苷。参与类黄酮化合物生物合成的酶类形成1个多酶复合体，这些复合体以一定的方式排列并催化生物合成途径中的顺序反应，对于细胞而言，活性位点的中间代谢物的直接转化有利于提高代谢的效率，原因在于代谢途径中许多分支点上存在对底物的竞争，而中间代谢物极其活跃并具有潜在的毒性，这些化合物的整体浓度很低，对于细胞而言，它需要对内外的信号作出快速反应并改变末端产物的种类和数量(Winkey-Shirley，2001)。Jaakola等(2002) 比较完善地描述了这一多酶复合物体系的模型（图1.3）。2花色素昔生物合成相关基因花

8、色素昔的生物合成是由许多酶催化完成的。花色素昔合成途径中几乎所有的基因包括一些调节基因（如玉米的R和C1）均已分离。这些基因可以分成两类，第一类是不同植物种类共同具有的结构基因，第二类是调控结构基因活性、色素空间和时间积累的调节基因。目前采用转座子标签、PCR扩增与异源杂交、差异cDNA克隆和遗传筛选相结合的方法及实验手段，分别在玉米、金鱼草和矮牵牛等材料中分离克隆到与花色素昔生物合成过程相关的关键酶基因。2.1结构基因结构基因是指不同植物共同具有的直接编码花色素代谢的生物合成酶的基因。利用转座子标签、PCR扩增、差异杂交、cDNA克隆等方法，已分别在玉米、矮牵牛、金鱼草等大部分植物中克隆出了多个与花色素昔生物合成相关的结构基因，如CHS、CHI、F3H、F3 H、 F3 5 H、DFR、ANS 以及 3GT基因等（表 1.3）。表1.3花色素昔生物合成相关结构基因Table 1.3 Structural genes of anthocyanin biosynthesis基因Gene来源Taxon登录号Accession Number基因长度（bp）Sequence Le

9、ngthArabidopsis thalianaAY0929572414Zea maysNM_0011118642488Ipomoea nilAF3254965172PALGerbera hybridZ38099244Vitis viniferaDQ887093668Oryza sativaEF576230445A. thalianaNM_1213961491Z. maysX602053829I. purpureaU159461835CHSAntirrhinum majusX037103574Chrysanthemum X morifoliumDQ5212721416V. viniferaEF1924641182O. sativaX898591606A. thalianaNM_126020696Z. maysZ227602278I. purpureaAF028238912CHIA. majusM68326667ChrysanthemumEF094934720V. viniferaX75963979O. sativaNM_001072119890A. thalianaAK2271521362F3，HI. purpureaAB1132621877A. majusDQ2725921981ChrysanthemumEU286276580V vin

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