甘蔗多酚类物质研究进展

唐云仙，杨丽涛，杨柳，廖芬，李杨瑞1，

（1.广西大学农学院/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁530005；2.广西农业科学院/中国农业科学院甘蔗研究中心/农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室，南宁530007）

甘蔗多酚类物质研究进展

唐云仙，杨丽涛1，2*，杨柳2，廖芬2，李杨瑞1，2

（1.广西大学农学院/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁530005；2.广西农业科学院/中国农业科学院甘蔗研究中心/农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室，南宁530007）

综述了甘蔗多酚类物质的成分、分布、代谢、降低酚害途径及遗传改良调节PPO等的研究进展。

甘蔗；多酚；褐变；遗传改良；研究进展

植物多酚是广泛存在于植物体内（果实、皮、根和叶中）的多羟基酚类化合物的总称，又称鞣质、单宁[1]。目前人们对茶多酚、苹果多酚、葡萄多酚等进行的研究比较多，因为植物多酚具有抗肿瘤、抗氧化、抑菌、抗病毒等多种生理功能，而这些酚类物质的含量较其他酚类物质多。研究人员在农业、林业、食品、医药等领域对植物多酚进行了基础应用研究，也获得一些成效，如在医药、食品、保健品及日用化学品等方面的广泛应用[2]。多酚类物质又是组织培养中褐变的主要底物，为了减少褐变，研究者对多酚进行了很多研究，希望能通过各种途径来减少褐变的发生，从而提高组织培养的成活率。甘蔗是一类多酚含量很高的植物，甘蔗组织培养中褐变主要发生在外植体，愈伤组织的继代、悬浮细胞培养以及原生质体的分离与培养中也经常发生。本文就前人在甘蔗组织培养中的一些研究及甘蔗多酚的结构、代谢、降低酚害途径进行概述。

1 甘蔗品种和组织的多酚含量

甘蔗同某些食用植物如大豆、茶叶等一样，含有对人体有益的具抗氧化作用的多酚类化合物。甘蔗中含有的多酚类化合物是在酶的作用下自然形成的肉桂酸和黄酮类的前身衍生出来的，其分子结构包含了一个独特的共振电子体系，该结构具有一个重要特征是pH敏感性[3]。Saska等研究发现甘蔗中的多酚类物质多集中在生长点周围的蔗梢部分，其中分子量≥5000的高分子多酚类物质在蔗叶占33%，蔗梢占37%，去梢后的蔗茎仅占30%，可见蔗梢虽仅为蔗茎的小部分，但多酚类化合物比蔗茎含量还丰富，且相对集中；还测得甘蔗生长点、梢部汁、去梢蔗茎汁三部分的压榨汁多酚类物质含量分别为：1536mg/kg、2668 mg/kg、553 mg/kg[4]。多酚类是蔗糖颜色的主要组成成分之一，甘蔗中的多酚类物质含有C6-C3-C6的碳骨架，同时在苯环上都具有两个以上的羟基，属水溶性色素，最为常见的有3类：即花青素、花黄素、儿茶素[5]。孙晓雪通过HPLC-UV初步分析，发现甘蔗梢在60%乙醇洗脱时得到的表儿茶素最多（约占56%），其组分中还含有儿茶素、儿茶酚、绿原酸、没食子酸[6]。

Duarte-Almeida用大孔树脂提取蔗汁中的酚类物质，并釆用反相高效液相色谱-二极管阵列检测器对酚类物进行分离鉴定，结果鉴定出蔗汁中主要含有麦黄酮、毛地黄酮、芹菜苷元、咖啡酸、芥子酸和羟基肉桂酸6种酚类物质，之后他们进一步利用HPLC分离和鉴定了不同品种的甘蔗混合汁、糖浆、糖膏和高级化糖中的黄酮类化合物（芹菜素、木犀草素和麦黄酮衍生物）和苯丙素类化合物（咖啡酸、绿原酸和香豆酸）的含量[7-8]。植物显红、蓝、紫色是花色素造成的，花色素易受酶、酸、碱或加热作用的影响。霍汉镇提到蔗汁中的鞣质是儿茶素的缩合物，因为鞣质受氧化酶作用并与铁反应而使得甘蔗压榨汁呈暗绿色，甘蔗中原有的色素物质如黄酮类化合物的芹菜素、木犀草素和小麦黄素使之显黄色。在甘蔗中还发现花色素类中的天竺葵花色素、矢车菊花色素，它们分别含有4个-OH、5个-OH。酚酸类化合物分子量较小，在甘蔗中发现的酚酸类化合物主要有苯甲酸的衍生物，如奎尼酸、莽草酸等；有肉桂酸（苯丙烯酸）的衍生物，如咖啡酸、香豆酸、阿魏酸；还有含两个苯环的化合物，如绿原酸[9]。

2 甘蔗多酚的代谢

甘蔗是一种体内含多酚类物质较高的作物，尤其是甘蔗幼嫩茎尖和嫩叶鞘部位含量更高[10]。在甘蔗茎尖组织培养时，细胞在茎尖组织和继代过程中受到破坏，细胞内的多元酚类化合物被氧化，对细胞有害的褐色醌类物质形成速度加快，在茎尖组织上聚集大量的醌类物质，使甘蔗组织变褐色，这种褐化物在培养基中慢慢向外扩散变成褐色，抑制外植体的脱分化和器官分化过程所需酶的活性，从而使组织坏死，致使培养失败[11]。在正常发育的植株中，正常组织或细胞中的多酚类化合物则主要分布在细胞的液胞内，而多酚氧化酶（PPO）则分布在质体或细胞质内，这种区室化分布使底物与PPO无法接触，因此正常植物体内底物、氧气、PPO即使同时存在也不发生褐变现象。切取茎尖组织和继代过程中细胞膜的结构受到破坏并发生变化，造成区室化被打破，多酚类物质与PPO就有了接触的机会，在氧存在的情况下被氧化为醌，继而发生一系列的脱水、聚合反应，最终形成黑褐色物质，从而引起褐变，造成植物组织坏死[12]。

3 甘蔗组培降低酚害途径

引起外植体组织培养褐化的因素是复杂多样的，如所选取的材料基因型、材料年龄、选取部位、取材时间、外植体大小这些内因都会影响褐化的发生[13]。研究证明，挑选合适的外植体材料并建立最佳培养条件是减轻和克制材料褐化的重要手段，有报道说可以通过改变外植体周围的氧化还原电势，从而抑制酚类氧化，减轻褐化，而改变外植体周围的氧化还原电势的方法有在培养基中加入抗氧化剂（如抗坏血酸、半胱氨酸、羟基乙醇、硫代硫酸钠等）以及在培养基中加入各类吸附剂[如活性炭、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等]可以把有毒物质从外植体的周围吸附掉，从而去除因酚类氧化造成的毒害效应[14-15]；在接种之前，用加有抗氧化剂的水溶液浸泡一定时间，可以减轻褐化的发生并能提高组织培养诱导率[16]。贤武等发现接种后第2天的甘蔗茎尖材料，滤纸上的外植体周围开始出现淡淡的紫红色，接着颜色慢慢变深，酚害加重。及时转管、缩短转管周期是减轻不同甘蔗品种酚害影响最有效的措施之一[17]。王敬驹等指出，甘蔗品种的遗传基础对外植体的培养成功率的影响很大，PPO活性强、容易形成色素污染的品种，组织培养效果较差[15]。何明在研究中观察到4个甘蔗材料的心叶愈伤组织的诱导效果、愈伤组织发育及增殖情况有很大的差别，这是因为不同甘蔗品种各化合物的含量差别大[18]。曾东火等分别对4个甘蔗品种（品系）愈伤组织的绿苗分化的研究表明不同甘蔗品种（品系）间的愈伤组织分化出苗的能力有很大差异[19]。刘丽敏等针对在甘蔗茎尖培养过程褐变率和污染率高将会导致培养成功率低的问题，试验研究了甘蔗热处理、茎尖解剖、接种等各个阶段、环节，结果表明，不同甘蔗品种的热处理需要不同的水浴温度与时间，即：果蔗拔地拉受水浴温度的影响较大，应使用较低温度50℃进行水浴。糖蔗ROC22受水浴温度的影响较小，经52℃半个小时后发芽率仍有80%；在对茎尖解剖前，使用75%酒精擦拭表面可以减少酚类污染，PVP还会促进其生长等[20]。戴友铭等在甘蔗嫩叶鞘外植体褐变相关因子研究得到：春季取样、采用适当的基本培养基和蔗糖浓度，基本培养基中无机盐离子浓度越高，甘蔗嫩叶鞘外植体褐变就越容易发生，但其愈伤组织诱导率得到了提高；蔗糖浓度在30 g/L的效果较好；在暗条件下对甘蔗嫩叶鞘进行离体培养，可显著减少外植体褐化率，并有利于提高愈伤组织诱导率[21]。武媛丽等在研究甘蔗组织培养外植体的防褐化措施发现，在接种之前浸泡质量浓度为0.25 g/L的Na2S2O3，也可以较有效地防止甘蔗外植体在初始培养过程中产生的褐变现象，外植体生长状况良好[22]。

4 遗传改良调节PPO

前人的研究主要集中于影响褐变的因素和如何通过改变这些影响因素来减轻褐变带来的危害方面，越来越多的人想通过遗传改良的方法来调节PPO，减少褐变的发生。Brothaerts与Chau已克隆出苹果中PPO的cDNA，发现在尚未成熟果实中及受伤组织中具有PPO的mRNA累积；当把PPO反义基因转进苹果时，转基因枝条褐变程度明显被抑制[23]。Bachen等通过农杆菌介导转化法将一段约2.0 kb的cDNA片段反向插入到马铃薯的染色体组内，借助合适的启动因子表达出反义的RNA，结果显示块茎中PPO活性明显被抑制，而多酚类物质的氧化也受到阻碍；擦破块茎表皮，没看到最常见的褐变现象[24]。Vickers等研究证实了甘蔗中PPO活性越高，蔗汁和粗制蔗糖颜色越深。他们将PPO基因的正链和反链及菠菜磷酸蔗糖合成酶SPS基因的正链通过基因枪法导入甘蔗Ql17品种，获得了稳定表达的转基因株系，但大部分转基因甘蔗的产量和蔗糖分比未转化的Ql17甘蔗低，仅有1.6%的转基因植株产量和蔗糖含量与未转化的Ql17甘蔗相当[25]。

5 展望

目前人们研究甘蔗的基因越来越多，希望能通过生物技术来改变甘蔗内的基因，提高组培苗的成活率，增强甘蔗的抗性，获得高产高糖的甘蔗品种，这是未来的发展趋势，也是研究人员努力的方向。

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Research Progress on Polyphenols in Sugarcane

TANG Yun-xian1,YANG Li-tao1,2*,YANG Liu2,LIAO Fen2,LIYang-rui1,2
(1.College of Agronomy,GuangxiUniversity/State Key Laboratory of Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, Nanning 530005;2.Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Sugarcane Research Center,Chinese Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Biotechnology and Genetic Improvementof Sugarcane,Ministry of Agriculture/Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement,Nanning 530007)

This paper reviewed the research progress on component,distribution,metabolisMof polyphenols and the pathways of reducing polyphenol pollution as well as regulation for polyphenol oxidase with genetic improvement in sugarcane tissue culture.

sugarcane;polyphenol;browning;genetic improvement

S566.1

B

1007-2624（2015）03-0062-03

10.13570/j.cnki.scc.2015.03.023

2014-12-18

广西科学研究与技术开发计划项目：甘蔗脱毒健康种苗繁育技术示范（桂科攻1222009-1B）。

唐云仙（1990-)，女（壮族），广西北海人，硕士研究生，主要研究方向：作物生理与代谢调控。

杨丽涛，女，教授，研究方向：植物生态生理和分子生物技术，E-mail：liyr@gxu.edu.cn