茄果類蔬菜花青素研究進(jìn)展

于 洋， 朱 月， 劉 晗， 于 爽

(牡丹江師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

我國(guó)主要的茄果類蔬菜作物有番茄、辣椒、茄子，在蔬菜生產(chǎn)和市場(chǎng)供應(yīng)上占據(jù)重要地位，約占整個(gè)蔬菜供應(yīng)量的20%。茄果類蔬菜的播種面積逐年增大，根據(jù)2018年聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)顯示，全世界番茄的播種面積476.15萬(wàn)hm2，中國(guó)番茄的播種面積為104.01萬(wàn)hm2，占世界播種面積的21.84%；全世界辣椒的播種面積為376.68萬(wàn)hm2，中國(guó)辣椒的播種面積為81.94萬(wàn)hm2，占世界播種面積的21.75%；全世界茄子的播種面積為186.45萬(wàn)hm2，其中，中國(guó)茄子的播種面積為80.46萬(wàn)hm2，占世界播種面積的43.15%?，F(xiàn)階段，我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)正面臨由高產(chǎn)量向“提質(zhì)增效”發(fā)展的趨勢(shì)，蔬菜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)顯得更加重要。茄果類蔬菜中含有大量的花青素，其具有保健、抗炎、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血脂和改善糖尿病等積極作用。因此，研究茄果類蔬菜花青素對(duì)提高茄果類蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)具有重要意義。

1 花青素在茄果類蔬菜中的作用

花青素屬于類黃酮，是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物。花青素易溶于水和醇類化合物，在酸堿度不同的條件下，花青素的顏色會(huì)發(fā)生變化，在酸性條件下花青素呈紅色；在中性條件下花青素呈紫色；在堿性條件下花青素則呈藍(lán)色。因此，花青素促使植物的花朵或果實(shí)顏色鮮艷，提高植物的觀賞價(jià)值的同時(shí)又利于吸引昆蟲傳播花粉。

花青素不僅可以抵御某些昆蟲的生物因素侵害，也能防止有害光照、極端溫度、干旱以及某些金屬離子等對(duì)植物非生物因素的損害，增強(qiáng)植物的抗逆性，是植物的壓力調(diào)節(jié)器[1]。SIMONE等[2]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，花青素的積累增加，并且花青素含量升高將增強(qiáng)植物對(duì)低溫的抗性。在茄果類蔬菜中，花青素也有重要作用。如紫色番茄是富含花青素的雜交品種，與普通番茄相比有諸多優(yōu)勢(shì)，其植株生長(zhǎng)和果實(shí)的發(fā)育以及果實(shí)的品質(zhì)均強(qiáng)于普通番茄[3]。我國(guó)比較稀有的紫色辣椒由于富含大量花青素，在野外紫色辣椒的抗逆性和抗病性比其他辣椒品種更強(qiáng)[4]。姚明華等[5]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種茄子的顏色與耐冷性相關(guān)，顏色深的茄子比顏色淺的具有更強(qiáng)的耐冷性，表明花青素的含量是茄子果實(shí)呈色的主要依據(jù)，而且花青素含量越高，茄子的顏色越深，抗冷性越強(qiáng)。

2 茄果類花青素種類

花青素具有類黃酮特有的C6-C3-C6碳骨架結(jié)構(gòu)，花青素多數(shù)以糖苷的形式形成花色苷存在于植物體內(nèi)，極少數(shù)以游離形式存在，常與1個(gè)或多個(gè)葡萄糖、乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖等結(jié)合形成3-糖苷、3,5-二糖苷等。糖苷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于糖數(shù)量、取代的位置和酰化作用等[6]，目前已發(fā)現(xiàn)20余種花青素，有研究證實(shí)其中在植物體內(nèi)有6種最常見的花青素[7]，分別是天竺葵色素、矢車菊色素、飛燕草色素、芍藥色素、牽牛花色素和錦葵色素[8]，糖分子通過(guò)與這些花青素分子在不同位置上形成糖苷，還可以在糖分子上再發(fā)生脂肪酸化或芳香環(huán)酸酞基化形成各種各樣的花青苷。植物花朵和果實(shí)的顏色與花青素的種類也密切相關(guān)。

陳麗等[9]利用引進(jìn)的番茄品種YS08-1選育含有花青素且品質(zhì)高于普通番茄的紫色番茄硯紫1號(hào)。陳靜[10]利用液相色譜(HPLC)和電噴霧離子化質(zhì)譜(LC/ESI-MS)研究表明，番茄幼苗真葉中的花青苷有3種成分，分別為3-葡糖蕓香糖-5-葡糖香豆酰矢車菊苷或3-葡糖香豆酰-5-葡糖蕓香糖矢車菊苷、3,5-二香豆酰二葡糖蕓香糖天竺葵苷、3-香豆酰蕓香糖-5-香豆酞木糖葡糖錦葵苷或3-香豆酞木糖葡糖-5-香豆酞蕓香糖錦葵苷。李紅艷[11]研究表明，傳統(tǒng)育種紫色番茄品種V118中含特有的3種花青素，分別為牽牛色素-3-O-咖啡酰基-蘆丁糖苷-5-葡萄糖苷、牽牛色素-3-O-對(duì)香豆酰基-蘆丁糖苷-5-O-葡萄糖苷和錦葵色素-3-O-對(duì)香豆酸-蘆丁糖苷-5-O-葡萄糖苷。

茄子中主要的花青素有飛燕草素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷，又名茄色甙(Nusunin)和飛燕草素-3-鼠李糖苷，又名山慈菇花苷(Tulipanin)，還有少數(shù)栽培種和某些野生種茄子的花青素是飛燕草素-3-葡萄糖苷和矮牽牛素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷[12]。在眾多蔬菜中，茄子中的花青素抗氧化性最佳。周寶利等[13]研究發(fā)現(xiàn)，7種不同品種的茄子花青素含量最高可達(dá)587.35 mg/g，并且富含花青素的紫色茄子是我國(guó)常見的種質(zhì)資源。而在我國(guó)紫色辣椒和紫色番茄是比較稀缺的種質(zhì)資源。滕有德等[14]1993年首次在川西南雅礱江、金沙江干熱河谷地區(qū)發(fā)現(xiàn)代表材料為川菜932456的紫色辣椒，并且其具有極強(qiáng)的耐熱性和耐旱性。富含花青素的黑紫番茄來(lái)自于德國(guó)、美國(guó)等歐美國(guó)家，主要在北京市、上海市、山東省青島市等城市的郊區(qū)種植，在我國(guó)其他地區(qū)尚未普遍種植。因此，對(duì)于茄果類蔬菜花青素的合成途徑等研究有重要意義[15]。

3 茄果類花青素調(diào)控基因

目前，對(duì)于植物花青素的合成途徑以及相關(guān)調(diào)控基因的研究有很多。花青素生物合成過(guò)程中主要的調(diào)控基因有MYB、BHLH和WD40轉(zhuǎn)錄因子3類。XU等[16-17]研究表明，這3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可以形成復(fù)合體，促進(jìn)或抑制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，在花青素的合成過(guò)程中起到調(diào)控的作用。

3.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子

MYB轉(zhuǎn)錄因子普遍存在于真核生物中，PAZARES等[18]在玉米中克隆的ZmMY-BCI基因。RALF等[19]分析了擬南芥中的125個(gè)R2R3-MYB基因功能。MYB轉(zhuǎn)錄因子成員參與茄果類蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育、次級(jí)代謝[20]、逆境脅迫應(yīng)答[21]和激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[22]等進(jìn)程。根據(jù)MYB轉(zhuǎn)錄因子包含4個(gè)亞類R結(jié)構(gòu)的數(shù)目和重復(fù)種類：只有1個(gè)R結(jié)構(gòu)的MYB轉(zhuǎn)錄因子是一類重要的端粒結(jié)合蛋白，對(duì)維持染色體結(jié)構(gòu)的完整性起到重要作用；有2個(gè)R結(jié)構(gòu)的R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子是MYB蛋白最大的亞族，也是植物中數(shù)量最多，最普遍的一類；有3個(gè)R結(jié)構(gòu)的MYB轉(zhuǎn)錄因子，與動(dòng)物和真菌中的R1R2R3-MYB蛋白高度同源，主要參與細(xì)胞周期的控制和調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化；含有4個(gè)類似R1、R2結(jié)構(gòu)域的重復(fù)的4RMYB蛋白只在極少數(shù)植物基因組中進(jìn)行編碼[23]。

MYB轉(zhuǎn)錄因子在花青素的調(diào)控過(guò)程中主要起到促進(jìn)或抑制作用。JIAN等[24]研究表明，SlMYB75是MYB型轉(zhuǎn)錄因子，可促進(jìn)番茄花青素的積累。從過(guò)表達(dá)番茄中分離得到R2R3類型的MYB轉(zhuǎn)錄因子SIMYB113可提高番茄中花青素的含量，從而提高番茄的抗低溫能力[21]。R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子SlMYB-ATV在番茄中通過(guò)抑制花青素合成過(guò)程中DFR基因表達(dá)降低花青素的合成[25]。SmCBF1、SmCBF2和SmCBF3通過(guò)與SmMYB113共同表達(dá)調(diào)節(jié)茄子中花色苷的生物合成[26]。SmMYB18是茄子花青素的正調(diào)控因子，SmMYB19是茄子花青素的負(fù)調(diào)控因子[27]。在茄子中SmMYB6可能通過(guò)調(diào)控SmDFR的表達(dá)從而在花青素合成的過(guò)程中起到重要作用[28]。ZHANG等[29]對(duì)參與花青素生物合成的基因在辣椒葉片中豐度檢測(cè)表明，大多數(shù)基因在花色苷著色系葉片Z1和非著色系葉片A3間存在差異。Z1辣椒葉片中R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子CaMYB沉默導(dǎo)致花青素積累量下降。CaMYB轉(zhuǎn)錄子對(duì)辣椒花青素生物合成相關(guān)基因起到調(diào)控作用。CaMYB1和CaMYB2可以調(diào)節(jié)辣椒花青素的生物合成[30]。CaMYBA抑制辣椒果實(shí)中花青素合成[31]。

3.2 bHLH轉(zhuǎn)錄因子

堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basic helix-loop-helix，bHLH)是植物中第二大轉(zhuǎn)錄因子家族[32]。bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物的生長(zhǎng)發(fā)育[33]、抗病[34]和應(yīng)激[35]等過(guò)程中起重要作用，在花青素等激素合成的過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用。

bHLH是由堿性區(qū)域和螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)域2個(gè)高度保守且功能不同結(jié)構(gòu)域組成。堿性區(qū)域由15～20個(gè)氨基酸組成，位于bHLH結(jié)構(gòu)域N端，作為DNA結(jié)合區(qū)域，可識(shí)別E-box和G-box。螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)域位于bHLH結(jié)構(gòu)域C端，依賴疏水氨基酸的相互作用，形成2個(gè)HLH蛋白的同源或異源二聚體調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[36-37]。bHLH家族分為A、B、C、D、E和F 6類，而最早出現(xiàn)的bHLH序列可能來(lái)自于B類，并且B類bHLH蛋白在動(dòng)物中最常見。

通常情況下bHLH和MYB形成復(fù)合物調(diào)節(jié)花青素的合成。TOMINAGA等[38]研究表明，在番茄的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，bHLH轉(zhuǎn)錄因子GLABRA3(GL3)影響番茄花青素的合成，并且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GL3轉(zhuǎn)化番茄中PAL、CHS、DFR和ANS的表達(dá)水平顯著高于對(duì)照植株，證明bHLH轉(zhuǎn)錄因子GLABRA3(GL3)促進(jìn)番茄花青素的合成。TOMINAGA等[39]研究發(fā)現(xiàn)，bHLH轉(zhuǎn)錄因子SlGL3過(guò)表達(dá)抑制番茄花青素的積累。QIU等[40]研究發(fā)現(xiàn)，bHLH轉(zhuǎn)錄因子SLAN1的過(guò)表達(dá)可以增加番茄花青素含量。席浩淳等[41]研究發(fā)現(xiàn)，SmbHLH13可通過(guò)正向調(diào)控結(jié)構(gòu)基因SmCHS和SmF3H的表達(dá)促進(jìn)茄子花青素的生物合成。劉新宇等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在茄子花青素的合成過(guò)程中2個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子SmGL3和SmTT8均起到調(diào)控作用。LIU等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在辣椒和茄子中，PhAN1的同源基因CabHLH和SmbHLH的轉(zhuǎn)錄水平顯著高于無(wú)色素果實(shí)，證明CabHLH和SmbHLH參與了辣椒和茄子花青素的合成。路博雅[44]研究發(fā)現(xiàn)，CaMYB的過(guò)表達(dá)引起bHLH類轉(zhuǎn)錄因子MYC的表達(dá)，從而共同調(diào)節(jié)辣椒花青素的合成。TANG等[45]研究發(fā)現(xiàn)，CaANT1、CaANT2、CaAN1和CaTTG1可形成1個(gè)新的MMBW促進(jìn)花青素的積累。

3.3 WD40轉(zhuǎn)錄因子

WD40蛋白在于真核生物中廣泛存在。VETTEN等[46]分離出第1個(gè)WD40蛋白PhAN11。WD40蛋白含有一段高度保守的特殊基因序列，這段基因序列由40個(gè)氨基酸殘基組成，一般由4～16個(gè)重復(fù)的WD基元串聯(lián)組成。在蛋白質(zhì)中，WD結(jié)構(gòu)域折疊成β-螺旋槳結(jié)構(gòu)，為其他蛋白質(zhì)相互作用和組裝成1個(gè)信號(hào)體提供平臺(tái)，使其在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫應(yīng)答等多種功能中發(fā)揮重要作用[47]。

WD40轉(zhuǎn)錄因子在茄果類蔬菜的花青素合成過(guò)程中通常不單獨(dú)調(diào)控花青素的合成，而是作為一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)與其他轉(zhuǎn)錄因子形成含有MYB、bHLH、WD40重復(fù)因子的MBW復(fù)合物在茄果類蔬菜的花青素合成過(guò)程中發(fā)揮重要作用[48]。劉新宇等[42]研究發(fā)現(xiàn)，含有蛋白質(zhì)TTG1的WD重復(fù)序列充當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)，與MYB和GL3形成三元復(fù)合體相互作用。三元復(fù)合物與啟動(dòng)子結(jié)合產(chǎn)生花青素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的基因。GAO等[49]研究發(fā)現(xiàn)，WD40轉(zhuǎn)錄因子家族的SlAN11可有效促進(jìn)番茄花青素和種子原花青素的含量。張彥杰[50]研究發(fā)現(xiàn)，Sl AN2和Sl MYBL2在強(qiáng)光下可以共同調(diào)控番茄花青素的合成。張琳等[51]研究表明，WD40轉(zhuǎn)錄因子基因SmTTG1和bHLH轉(zhuǎn)錄因子基因SmGL3和SmTT8相互作用并且形成復(fù)合體共同調(diào)控茄子花青素的合成。雖對(duì)于WD40轉(zhuǎn)錄因子在茄果類蔬菜花青素中作用研究較少，但WD40轉(zhuǎn)錄因子在MBW復(fù)合體有重要作用。THéVENIN等[52]研究表明，WD40在MBW復(fù)合體的活性上發(fā)揮著重要的作用。

4 茄果類蔬菜花青素穩(wěn)定性的影響因素

4.1 溫度

溫度影響花青素的穩(wěn)定性和花青素的合成過(guò)程?；ㄇ嗨卦?0℃和50℃時(shí)都有花青素降解，但降解量低，在70℃和80℃時(shí)降解量開始大幅增加。表明，高溫會(huì)促進(jìn)花青素的降解，并且溫度、加熱時(shí)間與花青素降解的速度呈正相關(guān)[53]。在高溫條件下植物花青素苷合成激活物和阻遏物的表達(dá)受到影響，從而降低植物中花青素的積累[54-56]。茄子花青素的最佳提取溫度為40℃[57]，紫色辣椒的最佳提取溫度為30℃[58]。在30～40℃時(shí)花青素的穩(wěn)定性最高，最適合對(duì)茄果類花青素進(jìn)行提取和加工。

4.2 pH

pH是影響花青素穩(wěn)定性的重要因素，花青素的顏色隨pH發(fā)生變化。當(dāng)花青素的pH小于2時(shí)，溶液顯紫紅色，花青素主要以黃鹽陽(yáng)離子形式存在；當(dāng)pH在2～4時(shí)，花青素失去C環(huán)氧上的陽(yáng)離子變成藍(lán)色醌型堿；當(dāng)pH升高至5～6時(shí)，溶液逐漸變?yōu)闊o(wú)色，主要以假堿或查耳酮的形式存在，當(dāng)pH在2～6時(shí)物質(zhì)間變化可逆；當(dāng)pH高于7時(shí)，花青素則被降解，并且此時(shí)物質(zhì)的變化不可逆[54]。張艷暉[59]研究表明，pH對(duì)番茄花青素浸提液影響較大，當(dāng)pH由1升至3時(shí)，花青素的相對(duì)含量逐漸升高并到達(dá)最高點(diǎn)；pH由3升至5時(shí)，有略微下降；當(dāng)pH高于5時(shí)，花青素相對(duì)含量下降；尤其當(dāng)pH高于11時(shí)，花青素的相對(duì)含量大幅下降。周寶利等[13]研究發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)茄子花青素有顯著影響，pH在1～4時(shí)茄子花青素的吸光度提高，pH在4～10時(shí)花青素的吸光度基本不變，pH大于10后花青素的吸光度開始明顯降低，當(dāng)pH達(dá)12后，花青素的吸光值開始大幅下降。說(shuō)明，茄子花青素在pH 4～10時(shí)較穩(wěn)定。隋益虎等[60]研究表明，在提取紫色辣椒中的花青素時(shí)，花青素的顏色隨著pH變化而變化，當(dāng)pH從1升至14的過(guò)程中花青素的顏色由深紫變成微肉紅，之后變成白色渾濁、微綠、黃綠、黃色等顏色，可見，當(dāng)pH較低時(shí)辣椒花青素含量最高。證明，在pH較低時(shí)，有利于茄果類花青素的保存，并且穩(wěn)定性更好。而高pH破壞茄果類花青素的穩(wěn)定性，使茄果類花青素降解。

4.3 光照

光照對(duì)花青素的影響要大于溫度，強(qiáng)光照導(dǎo)致花青素氧化，從而使含量下降。張艷暉等[55]研究發(fā)現(xiàn)，在避光條件下，紫色番茄花青素的質(zhì)量略微下降，降解率為3.7%，在強(qiáng)光照射下花青素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.402 FW/g降至0.321 FW/g，降解率為20.1%?？梢?，光照對(duì)紫色番茄花青素有顯著影響。分別以避光、室內(nèi)自然光和室外自然光為單一變量下，保存紫茄皮花青素發(fā)現(xiàn)，避光下對(duì)紫茄皮的保存率影響較小，而室內(nèi)自然光和室外自然光都對(duì)紫茄皮花青素的影響較大，說(shuō)明光照影響茄子中花青素的穩(wěn)定性，使茄子花青素的保存率下降[61]。避光條件下，紫色辣椒的花色苷降解速度緩慢，室內(nèi)日光燈和室外自然光的照射，使花色苷迅速降解，并且紫色辣椒花色苷溶液會(huì)逐漸變?yōu)闊o(wú)色。說(shuō)明，光照使紫色辣椒中的花青素降解[62]。

4.4 金屬離子

Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+對(duì)黑果枸杞花青素顏色穩(wěn)定性無(wú)顯著影響；Cu2+對(duì)花青素溶液有明顯退色作用；Al3+使花青素溶液明顯增色；Fe2+使花青素溶液產(chǎn)生紫黑色沉淀；Fe3+破壞花青素類物質(zhì)。在花青素的提取和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免接觸銅、鋁、鐵的金屬制品[63]。Fe2+、Fe3+、Cu2+對(duì)紫番茄中花青素的穩(wěn)定性均有影響，因此紫色番茄在花青素的提取和保存過(guò)程中應(yīng)盡量避免鐵、銅制品[64]。Mg2+對(duì)茄子花青素起到護(hù)色增色的作用，Ca2+、Na+、Al3+對(duì)茄子花青素的穩(wěn)定性影響較小，Zn2+和Cu2+的質(zhì)量濃度增大使花青素溶液的吸光度明顯降低[65]。Mg2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Al3+對(duì)紫色辣椒花青素基本無(wú)影響，F(xiàn)e3+則對(duì)紫色辣椒花青素影響較大，使花青素溶液的吸光度降低至原溶液的45%[61]。

茄果類蔬菜的花青素合成是一個(gè)復(fù)雜且保守的過(guò)程，轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用對(duì)于茄果類蔬菜的花青素合成尤為重要。因此，通過(guò)開展茄果類蔬菜花青素結(jié)構(gòu)、調(diào)控因子、影響因子等相關(guān)研究，對(duì)培育高花青素茄果類蔬菜，提高茄果類蔬菜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。