番茄红素代谢及分子调控机理研究进展

豆峻岭　刘文革

摘 要：番茄红素广泛存在于各种植物中，它不仅是植物花、果实等形成红色的主要色素，也是对人体健康有益的一种类胡萝卜素。它在植物体内的合成及分解涉及许多中间物质，并且受到多种酶基因的调控，而这些中间物质也参与植物体内其他物质的合成代谢。目前围绕着番茄红素的生物合成以及合成途径中相关酶基因的研究越来越多，并且通过对关键酶基因的超量表达、RNA沉默已经获得了一些高番茄红素植株。综述了国内外关于番茄红素合成途径相关酶基因的研究、影响其生物合成的一些相关因素以及为提高植物中番茄红素含量而进行的一些基因工程方面的研究，以期为进一步转基因研究以及高番茄红素植物品种的选育提供思路。

关键词：番茄红素； 生物合成； 酶基因； 影响因素

中图分类号：S65 文献标志码：A 文章编号：1009-9980？穴2013？雪04-0697-09

植物色素的种类主要有生物碱类、花青素类、类胡萝卜素类等物质。生物碱类种类繁多，大都由不同的氨基酸或其直接衍生物合成而来。花青素是一类重要的水溶性天然植物色素，属于类黄酮物质，广泛存在于植物的花、叶、果实、果皮中。而类胡萝卜素类色素是一类脂溶性的色素，不溶于水，难溶于甲醇，易溶于乙醇、乙醚和氯仿等溶剂，是一类对人体有益的物质，番茄红素（Lycopene）是类胡萝卜素的一种，又称ψ-胡萝卜素，属于异戊二烯类化合物[1]。番茄红素作为一种功能性天然色素，具有淬灭活性氧、消除人体自由基、预防心脏病、减缓动脉粥样硬化、预防多种癌症、保护心血管、抗老化、保护皮肤等功能[2-6]。

1 番茄红素生物合成途径及相关酶基因的研究

1.1 番茄红素生物合成途径

番茄红素属于类胡萝卜素的一种，它是许多类胡萝卜素生物合成的中间体，经过环化可形成其他类胡萝卜素。近些年来，人们对番茄红素生物合成的认识取得了很大的进展[11-13]。4分子的异戊烯基焦磷酸（IPP）在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPS）的作用下缩合成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP），2分子的GGPP经八氢番茄红素合成酶（PSY）催化，在质体中缩合形成无色的八氢番茄红素，八氢番茄红素由八氢番茄红素脱氢酶（PDS）催化形成ζ-胡萝卜素，再由ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）连续催化形成粉红色的番茄红素，多顺式番茄红素在类胡萝卜素异构酶（CRTISO）的作用下形成全反式番茄红素。番茄红素的降解由番茄红素β环化酶LCYb和番茄红素α环化酶LCYe催化，形成β-胡萝卜素或α-胡萝卜素，进而降解合成叶黄素、玉米黄素、新黄质等其他类胡萝卜素。

1.2 调控番茄红素合成途径相关基因的研究

参与植物不同组织器官中番茄红素生物合成的酶基因具有多种功能。GGPP是植物体内类胡萝卜素、叶绿素、赤霉素、磷酸甘油醛、质体醌等多种物质的合成前体，GGPS在植物中多以家族的形式存在。在拟南芥中有5个具有功能的基因，它们表达的蛋白质存在于叶绿体、线粒体和内质网等亚细胞中，在不同的部位负责不同GGPP的合成[23]。在番茄中，已经克隆出LeGGPS1和LeGGPS2两个基因，LeGGPS1主要在叶中表达，LeGGPS2主要在花和果实中表达，并且在番茄果实成熟过程中对番茄红素的积累起重要作用[24]。PSY基因是控制番茄红素合成的一个限速酶基因，它控制着GGPP向八氢番茄红素的转化。在黄花龙胆中至少有2个PSY基因，PSYI基因在花中特异性表达[25]。目前已经有研究证明水稻中有3个PSY基因，其中PSY3与植物的抗逆性有关[26]。苹果中有4个PSY基因，并且在不同时期不同组织中它们的表达量也不同[27]。PDS、ZDS、CRTISO 3个基因共同作用将八氢番茄红素转化为全反式番茄红素。Giuliano等[28]从拟南芥中克隆了PDS、ZDS，生成的主要产物是原番茄红素，即顺式番茄红素。果实中番茄红素主要以反式番茄红素的形式存在，CRTISO基因具有将顺式番茄红素转化为反式番茄红素的功能。LCYb和LCYe是番茄红素分解的2个关键酶基因，研究表明LCYb位于辣椒第10号染色体上，催化番茄红素生成β-胡萝卜素，LCYb活性减弱会导致β-胡萝卜素及其下游产物的减少。LCYe位于辣椒第9号染色体上，LCYe的上调表达导致γ-胡萝卜素大量积累，并最终使得果实发育成橙色[29]。

1.3 果实发育过程中调控番茄红素代谢关键酶基因表达水平研究

不同物种间相关基因的研究已经较为深入，而同一物种不同性状或不同倍性间相关基因的表达情况研究尚少。研究表明西瓜不同瓤色品种以及同一品种不同染色体倍性材料（2x、3x、4x）番茄红素含量存在明显的差异，通过研究不同瓤色西瓜PSY、PDS、ZDS、CRTISO、LCYb、CHYB和ZEP酶基因的转录表达发现，淡黄瓤中未发现CRTISO表达，橙黄色瓤中CRTISO表达量较低，而其他基因在不同瓤色和组织中均有表达，但并未发现表达差异，西瓜番茄红素生物合成的酶基因表达可能存在转录后调控现象[34-37]。西瓜不同倍性间番茄红素含量均为M3x>M4x>M2x，袁平丽等[34，38]的研究表明PSY、LCYb 2个基因的表达量均是先增高后降低，不同倍性之间，基因的表达量也存在着明显的差异，多倍体中两个基因的表达量都要比二倍体的高。目前，番茄、西瓜等多种作物的全基因组测序都已经完成，这为转基因研究奠定了基础，也为番茄红素关键酶基因的研究提供了极好的平台。

1.4 番茄红素基因改良的研究

目前很多研究者都通过转基因的方法来增加果实中的番茄红素含量，而研究最多的是基因的超量表达和基因沉默（RNAi）。PSY是番茄红素生物合成途径的一个限速酶，而LCYb控制着番茄红素的分解，这2种基因目前主要应用于转基因研究。

1.4.1 基因超量表达 Zhang等[39]从柑橘中克隆了PSY，通过在大肠杆菌中异源表达证明了它的活性，将此基因转入植物中过量表达，果实中番茄红素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素的含量有显著的提高。Dharmapuri等[40]将LCYb基因和辣椒CHYB基因在番茄果实特异性启动子的驱动下导入番茄中，使转基因番茄中玉米黄质和β-隐黄质的含量增加100多倍，β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量也增加将近10倍，但是番茄红素的含量却减少一半。周文静[41]将红肉脐橙中LCYb基因转入到番茄果实中使LCYb超量表达后也发现，各种类胡萝卜素的含量均发生了显著的变化，β-胡萝卜素含量明显增加，而番茄红素积累减少。而在转基因的甘薯中，通过LCYe的下游调控可以增加类胡萝卜素的含量，而降低番茄红素含量[42]。

1.4.2 基因沉默（RNAi） 除了通过向植物中导入关键酶基因，增加番茄红素合成前体物质的供应这一方式来提高番茄红素外，还可通过RNAi技术抑制番茄红素下游基因的表达从而提高番茄红素的含量，Rosati等[43]和万群等[44]分别通过干扰技术抑制LCYb的表达，使番茄果实中的番茄红素含量有了显著的提高。马超等[45]也通过RNA干扰阻断番茄红素下游的LCYb基因的表达来达到调控番茄红素大量积累的目的。由此可见，利用反向调控手段对LCYb基因实施干扰来提高果实番茄红素含量也是一条较为有效的途径。

2 影响番茄红素生物合成的其他因素

2.1 植物内源激素的影响

目前研究较多的是ABA和GA对番茄红素合成途径的调控。Galpaz等[9]研究认为，番茄ABA缺失突变体中由于ABA的缺乏导致了色素分割区域的变大，这可能是由于色素分裂的增加促进了色素的储藏能力。Sun[48]通过对番茄ABA合成途径中编码9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶的基因SlNCED1的RNAi发现，ABA的合成受到SlNCED1的抑制后会导致番茄红素以及β-胡萝卜素的增加，所有受到RNAi的果实都会表现出深红色，从而认为ABA可能在番茄果实成熟过程中起着调控果实着色的程度以及类胡萝卜素的成分的作用。Gao等[49]的研究表明乙烯仅仅影响番茄红素的积累，并间接影响与番茄红素相关的挥发性物质的积累。Minlee等[8]对番茄以及其野生近缘种的研究也显示出，对SlERF6的RNAi能够增加果实成熟期番茄红素和乙烯的含量。王贵元等[50]对红肉甜橙的研究表明番茄红素和β-胡萝卜素的积累伴随着GA含量的下降和ABA含量的上升，表明内源GA和ABA对番茄红素和β-胡萝卜素的积累分别具有负调控和正调控的效应。

除此以外，对各种突变体的遗传分析显示，围绕着番茄红素代谢途径还存在其他激素信号。Sorefan等[51]对拟南芥一个多分枝突变体MAX（more axillary）的分析显示，诱导拟南芥腋芽发生的是一个作用于类胡萝卜素下游的基因MAX。而它编码类胡萝卜素双加氧裂解酶（CCD），CCD与多种酶共同作用催化类胡萝卜素形成具有抑制分枝的独脚金内酯类化合物[52-53]。尽管目前对于类胡萝卜素以及与之紧密相关的赤霉素、脱落酸、独脚金内酯等激素的代谢途径已经较为清楚，但是代谢调控角度的研究进展并不是很多，尚有一些参与代谢的酶基因有待于克隆鉴定。

2.2 外源施用激素的影响

内源激素的变化与番茄红素的合成具有很大的相关性，外源激素的施用对番茄红素的合成应该也会有一定的影响。研究表明，乙烯利处理番茄果实可促进PSY基因的表达，可提高番茄红素上游物质的合成量，抑制番茄红素向下游物质的转化[54-55]。这说明乙烯利的处理兼有提高前体物质合成和减少下游物质转化的双重作用。该研究还表明葡萄糖3.0%、谷氨酸钠3.0%、乙烯利1.0%的这3种物质混合配比可以提高番茄中番茄红素的含量，处理不同的品种结果也不相同，番茄红素的含量最多能提高191%[56]。ABA的合成途径是番茄红素合成途径的一个延伸，故通过外源施用ABA可以反馈调节番茄红素的生物合成，翁倩等[57]通过对番茄外施一定浓度的ABA显示ABA可以促进番茄红素积累，其含量随外源ABA浓度的增加表现出先增加后减少的现象，表明较低浓度的外源ABA更有利于番茄红素的积累。施用极低浓度的油菜素内酯（BR）也能促进番茄红素的积累，且浓度越低，促进效果越明显。王贵元等[58]测定了红肉脐橙果实发育期间和果实转色前不同浓度的外源ABA和GA3处理后果皮叶绿素和类胡萝卜素的动态含量，并测定了外源ABA和GA3处理后成熟红肉脐橙果皮色泽的表现。果实转色前，用外源ABA和GA3处理都抑制了果皮类胡萝卜素的积累，严重阻碍了果皮番茄红素的合成。

2.3 外界关键生境因子的影响

光质也影响植物番茄红素代谢。Albar等[60]研究发现，用短暂的红光照射绿熟期的番茄果实可刺激果实番茄红素比对照提高2.1倍，但这种红光诱导的番茄红素积累会被随后的远红光处理逆转。Northern分析表明果实中光敏色素A的mRNA在果实成熟时增加了11.4倍。果皮组织的光谱测定表明果实从绿熟期到红色成熟期阶段红光/远红光的光谱比值增加了4倍，表明番茄果实中番茄红素积累是由位于果实中的光敏色素通过光诱导调节的。

2.3.2 温度 温度对番茄红素积累的影响与其对果实形成的影响相似，在番茄的研究中显示，温度高于30 ℃或者低于10 ℃时，番茄红素的合成受抑制，温度高于32 ℃时活性完全被抑制，18～26 ℃时活性最高[61]。温度变化控制番茄红素合成的酶浓度，而酶浓度的变化最终控制着番茄红素的表达水平。孙明奇[62]对柑橘果皮类胡萝卜素的研究表明，高温条件下，柑橘果皮类胡萝卜素重组异构化程度较高，主要为反式向顺势的异构化，但程度仍不如氧化降解。其特征变化为顺式-α-隐黄质和13-顺式-β-胡萝卜素含量的增加。这使得高温对番茄红素等类胡萝卜素有降解的作用，而低温条件下，它们较为稳定。

2.3.3 栽培措施及肥水管理等因素的影响 除了光照和温度外，施肥、灌溉、栽培等条件也会对番茄红素的积累产生影响。牛晓丽等[63]对番茄的研究表明，番茄中番茄红素含量随灌水量、施磷量以及有机肥用量呈开口向下的抛物线型变化，随氮、钾肥用量呈开口向上的抛物线型变化。交互效应表现为，磷与钾、氮与钾、磷与有机肥以及钾与有机肥用量间存在极显著的交互作用，水分与其他因素间的交互效应不显著。何楠等[64]的研究也表明通过外源施用钾肥可以提高西瓜果肉中番茄红素的含量。在一定范围内，番茄红素含量随钾肥的增加而增加。栽培环境也对番茄红素的积累有较大影响，有研究表明，露地栽培的番茄中番茄红素的含量要明显高于大棚栽培的番茄。而且设施栽培对各成熟度番茄红素含量也有影响，在夏季，阳光充足，温度适宜，露地栽培番茄从红熟期到过熟期番茄红素含量增加较快，而大棚内温度过高，番茄成熟过快，番茄红素合成速度则较慢[65]。李纪锁[66]的研究表明，露地栽培条件下，果实不同遮光处理对番茄红素的含量有明显的影响，果实内番茄红素的含量随光照强度的减弱而减少。

3 问题与展望

在过去的几年里，人们对番茄红素合成途径及其在各个器官中的代谢和调控的影响因素都做了大量的研究，也取得了很大的进展。目前已经从多种植物中克隆了番茄红素合成途径关键酶基因的片段或全长序列。这为以后培育高番茄红素的植物新品种提供了前提。但也存在着一些问题，如目前对番茄红素生物合成途径基因的调控以及表达调控机制了解有限；大部分关于番茄红素的研究都集中在番茄等模式植物中，其他植物中的研究相对较少，而且提高番茄红素含量的研究大多集中在其自身合成途径的基因调控上，而通过施加外部因素来影响其含量的研究还不深入。

在今后的研究中，我们要借鉴番茄中番茄红素的前沿研究在多种植物中进行深入研究。另外除了要先弄清楚植物体内番茄红素积累的特点、代谢的生理机制、基因的分子调控机制以及内外部环境对其合成的影响外，还要利用超量表达、基因沉默等手段来分析不同基因的特殊功能，为转基因的研究提供理论基础。进一步研究导入的外源基因对植物体内番茄红素合成基因表达的影响，为进一步开展番茄红素的研究奠定一个坚实的基础。

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