茄果类蔬菜花青素研究进展

于 洋， 朱 月， 刘 晗， 于 爽

(牡丹江师范学院 生命科学与技术学院， 黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

我国主要的茄果类蔬菜作物有番茄、辣椒、茄子，在蔬菜生产和市场供应上占据重要地位，约占整个蔬菜供应量的20%。茄果类蔬菜的播种面积逐年增大，根据2018年联合国粮食及农业组织(FAO)统计显示，全世界番茄的播种面积476.15万hm2，中国番茄的播种面积为104.01万hm2，占世界播种面积的21.84%；全世界辣椒的播种面积为376.68万hm2，中国辣椒的播种面积为81.94万hm2，占世界播种面积的21.75%；全世界茄子的播种面积为186.45万hm2，其中，中国茄子的播种面积为80.46万hm2，占世界播种面积的43.15%。现阶段，我国蔬菜产业正面临由高产量向“提质增效”发展的趋势，蔬菜的营养品质显得更加重要。茄果类蔬菜中含有大量的花青素，其具有保健、抗炎、抗肿瘤、调节血脂和改善糖尿病等积极作用。因此，研究茄果类蔬菜花青素对提高茄果类蔬菜营养品质具有重要意义。

1 花青素在茄果类蔬菜中的作用

花青素属于类黄酮，是植物体内重要的次生代谢产物。花青素易溶于水和醇类化合物，在酸碱度不同的条件下，花青素的颜色会发生变化，在酸性条件下花青素呈红色；在中性条件下花青素呈紫色；在碱性条件下花青素则呈蓝色。因此，花青素促使植物的花朵或果实颜色鲜艳，提高植物的观赏价值的同时又利于吸引昆虫传播花粉。

花青素不仅可以抵御某些昆虫的生物因素侵害，也能防止有害光照、极端温度、干旱以及某些金属离子等对植物非生物因素的损害，增强植物的抗逆性，是植物的压力调节器[1]。SIMONE等[2]研究发现，低温胁迫下，花青素的积累增加，并且花青素含量升高将增强植物对低温的抗性。在茄果类蔬菜中，花青素也有重要作用。如紫色番茄是富含花青素的杂交品种，与普通番茄相比有诸多优势，其植株生长和果实的发育以及果实的品质均强于普通番茄[3]。我国比较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种更强[4]。姚明华等[5]研究发现，不同品种茄子的颜色与耐冷性相关，颜色深的茄子比颜色浅的具有更强的耐冷性，表明花青素的含量是茄子果实呈色的主要依据，而且花青素含量越高，茄子的颜色越深，抗冷性越强。

2 茄果类花青素种类

花青素具有类黄酮特有的C6-C3-C6碳骨架结构，花青素多数以糖苷的形式形成花色苷存在于植物体内，极少数以游离形式存在，常与1个或多个葡萄糖、乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖等结合形成3-糖苷、3,5-二糖苷等。糖苷结构的稳定性取决于糖数量、取代的位置和酰化作用等[6]，目前已发现20余种花青素，有研究证实其中在植物体内有6种最常见的花青素[7]，分别是天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素[8]，糖分子通过与这些花青素分子在不同位置上形成糖苷，还可以在糖分子上再发生脂肪酸化或芳香环酸酞基化形成各种各样的花青苷。植物花朵和果实的颜色与花青素的种类也密切相关。

陈丽等[9]利用引进的番茄品种YS08-1选育含有花青素且品质高于普通番茄的紫色番茄砚紫1号。陈静[10]利用液相色谱(HPLC)和电喷雾离子化质谱(LC/ESI-MS)研究表明，番茄幼苗真叶中的花青苷有3种成分，分别为3-葡糖芸香糖-5-葡糖香豆酰矢车菊苷或3-葡糖香豆酰-5-葡糖芸香糖矢车菊苷、3,5-二香豆酰二葡糖芸香糖天竺葵苷、3-香豆酰芸香糖-5-香豆酞木糖葡糖锦葵苷或3-香豆酞木糖葡糖-5-香豆酞芸香糖锦葵苷。李红艳[11]研究表明，传统育种紫色番茄品种V118中含特有的3种花青素，分别为牵牛色素-3-O-咖啡酰基-芦丁糖苷-5-葡萄糖苷、牵牛色素-3-O-对香豆酰基-芦丁糖苷-5-O-葡萄糖苷和锦葵色素-3-O-对香豆酸-芦丁糖苷-5-O-葡萄糖苷。

茄子中主要的花青素有飞燕草素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷，又名茄色甙(Nusunin)和飞燕草素-3-鼠李糖苷，又名山慈菇花苷(Tulipanin)，还有少数栽培种和某些野生种茄子的花青素是飞燕草素-3-葡萄糖苷和矮牵牛素-3-(p-香豆酰鼠李糖苷)-5-葡萄糖苷[12]。在众多蔬菜中，茄子中的花青素抗氧化性最佳。周宝利等[13]研究发现，7种不同品种的茄子花青素含量最高可达587.35 mg/g，并且富含花青素的紫色茄子是我国常见的种质资源。而在我国紫色辣椒和紫色番茄是比较稀缺的种质资源。滕有德等[14]1993年首次在川西南雅砻江、金沙江干热河谷地区发现代表材料为川菜932456的紫色辣椒，并且其具有极强的耐热性和耐旱性。富含花青素的黑紫番茄来自于德国、美国等欧美国家，主要在北京市、上海市、山东省青岛市等城市的郊区种植，在我国其他地区尚未普遍种植。因此，对于茄果类蔬菜花青素的合成途径等研究有重要意义[15]。

3 茄果类花青素调控基因

目前，对于植物花青素的合成途径以及相关调控基因的研究有很多。花青素生物合成过程中主要的调控基因有MYB、BHLH和WD40转录因子3类。XU等[16-17]研究表明，这3个转录因子可以形成复合体，促进或抑制结构基因的表达，在花青素的合成过程中起到调控的作用。

3.1 MYB转录因子

MYB转录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]分析了拟南芥中的125个R2R3-MYB基因功能。MYB转录因子成员参与茄果类蔬菜的生长发育、次级代谢[20]、逆境胁迫应答[21]和激素信号转导[22]等进程。根据MYB转录因子包含4个亚类R结构的数目和重复种类：只有1个R结构的MYB转录因子是一类重要的端粒结合蛋白，对维持染色体结构的完整性起到重要作用；有2个R结构的R2R3-MYB转录因子是MYB蛋白最大的亚族，也是植物中数量最多，最普遍的一类；有3个R结构的MYB转录因子，与动物和真菌中的R1R2R3-MYB蛋白高度同源，主要参与细胞周期的控制和调节细胞的分化；含有4个类似R1、R2结构域的重复的4RMYB蛋白只在极少数植物基因组中进行编码[23]。

MYB转录因子在花青素的调控过程中主要起到促进或抑制作用。JIAN等[24]研究表明，SlMYB75是MYB型转录因子，可促进番茄花青素的积累。从过表达番茄中分离得到R2R3类型的MYB转录因子SIMYB113可提高番茄中花青素的含量，从而提高番茄的抗低温能力[21]。R3-MYB转录因子SlMYB-ATV在番茄中通过抑制花青素合成过程中DFR基因表达降低花青素的合成[25]。SmCBF1、SmCBF2和SmCBF3通过与SmMYB113共同表达调节茄子中花色苷的生物合成[26]。SmMYB18是茄子花青素的正调控因子，SmMYB19是茄子花青素的负调控因子[27]。在茄子中SmMYB6可能通过调控SmDFR的表达从而在花青素合成的过程中起到重要作用[28]。ZHANG等[29]对参与花青素生物合成的基因在辣椒叶片中丰度检测表明，大多数基因在花色苷着色系叶片Z1和非着色系叶片A3间存在差异。Z1辣椒叶片中R2R3-MYB转录因子CaMYB沉默导致花青素积累量下降。CaMYB转录子对辣椒花青素生物合成相关基因起到调控作用。CaMYB1和CaMYB2可以调节辣椒花青素的生物合成[30]。CaMYBA抑制辣椒果实中花青素合成[31]。

3.2 bHLH转录因子

碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix，bHLH)是植物中第二大转录因子家族[32]。bHLH转录因子在植物的生长发育[33]、抗病[34]和应激[35]等过程中起重要作用，在花青素等激素合成的过程中也发挥着重要作用。

bHLH是由碱性区域和螺旋-环-螺旋区域2个高度保守且功能不同结构域组成。碱性区域由15～20个氨基酸组成，位于bHLH结构域N端，作为DNA结合区域，可识别E-box和G-box。螺旋-环-螺旋区域位于bHLH结构域C端，依赖疏水氨基酸的相互作用，形成2个HLH蛋白的同源或异源二聚体调节基因的表达[36-37]。bHLH家族分为A、B、C、D、E和F 6类，而最早出现的bHLH序列可能来自于B类，并且B类bHLH蛋白在动物中最常见。

通常情况下bHLH和MYB形成复合物调节花青素的合成。TOMINAGA等[38]研究表明，在番茄的转化过程中，bHLH转录因子GLABRA3(GL3)影响番茄花青素的合成，并且通过试验发现，GL3转化番茄中PAL、CHS、DFR和ANS的表达水平显著高于对照植株，证明bHLH转录因子GLABRA3(GL3)促进番茄花青素的合成。TOMINAGA等[39]研究发现，bHLH转录因子SlGL3过表达抑制番茄花青素的积累。QIU等[40]研究发现，bHLH转录因子SLAN1的过表达可以增加番茄花青素含量。席浩淳等[41]研究发现，SmbHLH13可通过正向调控结构基因SmCHS和SmF3H的表达促进茄子花青素的生物合成。刘新宇等[42]研究发现，在茄子花青素的合成过程中2个bHLH转录因子SmGL3和SmTT8均起到调控作用。LIU等[43]研究发现，在辣椒和茄子中，PhAN1的同源基因CabHLH和SmbHLH的转录水平显著高于无色素果实，证明CabHLH和SmbHLH参与了辣椒和茄子花青素的合成。路博雅[44]研究发现，CaMYB的过表达引起bHLH类转录因子MYC的表达，从而共同调节辣椒花青素的合成。TANG等[45]研究发现，CaANT1、CaANT2、CaAN1和CaTTG1可形成1个新的MMBW促进花青素的积累。

3.3 WD40转录因子

WD40蛋白在于真核生物中广泛存在。VETTEN等[46]分离出第1个WD40蛋白PhAN11。WD40蛋白含有一段高度保守的特殊基因序列，这段基因序列由40个氨基酸残基组成，一般由4～16个重复的WD基元串联组成。在蛋白质中，WD结构域折叠成β-螺旋桨结构，为其他蛋白质相互作用和组装成1个信号体提供平台，使其在转录调控、信号转导和免疫应答等多种功能中发挥重要作用[47]。

WD40转录因子在茄果类蔬菜的花青素合成过程中通常不单独调控花青素的合成，而是作为一个稳定的平台与其他转录因子形成含有MYB、bHLH、WD40重复因子的MBW复合物在茄果类蔬菜的花青素合成过程中发挥重要作用[48]。刘新宇等[42]研究发现，含有蛋白质TTG1的WD重复序列充当稳定平台，与MYB和GL3形成三元复合体相互作用。三元复合物与启动子结合产生花青素等次级代谢产物的基因。GAO等[49]研究发现，WD40转录因子家族的SlAN11可有效促进番茄花青素和种子原花青素的含量。张彦杰[50]研究发现，Sl AN2和Sl MYBL2在强光下可以共同调控番茄花青素的合成。张琳等[51]研究表明，WD40转录因子基因SmTTG1和bHLH转录因子基因SmGL3和SmTT8相互作用并且形成复合体共同调控茄子花青素的合成。虽对于WD40转录因子在茄果类蔬菜花青素中作用研究较少，但WD40转录因子在MBW复合体有重要作用。THÉVENIN等[52]研究表明，WD40在MBW复合体的活性上发挥着重要的作用。

4 茄果类蔬菜花青素稳定性的影响因素

4.1 温度

温度影响花青素的稳定性和花青素的合成过程。花青素在30℃和50℃时都有花青素降解，但降解量低，在70℃和80℃时降解量开始大幅增加。表明，高温会促进花青素的降解，并且温度、加热时间与花青素降解的速度呈正相关[53]。在高温条件下植物花青素苷合成激活物和阻遏物的表达受到影响，从而降低植物中花青素的积累[54-56]。茄子花青素的最佳提取温度为40℃[57]，紫色辣椒的最佳提取温度为30℃[58]。在30～40℃时花青素的稳定性最高，最适合对茄果类花青素进行提取和加工。

4.2 pH

pH是影响花青素稳定性的重要因素，花青素的颜色随pH发生变化。当花青素的pH小于2时，溶液显紫红色，花青素主要以黄盐阳离子形式存在；当pH在2～4时，花青素失去C环氧上的阳离子变成蓝色醌型碱；当pH升高至5～6时，溶液逐渐变为无色，主要以假碱或查耳酮的形式存在，当pH在2～6时物质间变化可逆；当pH高于7时，花青素则被降解，并且此时物质的变化不可逆[54]。张艳晖[59]研究表明，pH对番茄花青素浸提液影响较大，当pH由1升至3时，花青素的相对含量逐渐升高并到达最高点；pH由3升至5时，有略微下降；当pH高于5时，花青素相对含量下降；尤其当pH高于11时，花青素的相对含量大幅下降。周宝利等[13]研究发现，pH对茄子花青素有显著影响，pH在1～4时茄子花青素的吸光度提高，pH在4～10时花青素的吸光度基本不变，pH大于10后花青素的吸光度开始明显降低，当pH达12后，花青素的吸光值开始大幅下降。说明，茄子花青素在pH 4～10时较稳定。隋益虎等[60]研究表明，在提取紫色辣椒中的花青素时，花青素的颜色随着pH变化而变化，当pH从1升至14的过程中花青素的颜色由深紫变成微肉红，之后变成白色浑浊、微绿、黄绿、黄色等颜色，可见，当pH较低时辣椒花青素含量最高。证明，在pH较低时，有利于茄果类花青素的保存，并且稳定性更好。而高pH破坏茄果类花青素的稳定性，使茄果类花青素降解。

4.3 光照

光照对花青素的影响要大于温度，强光照导致花青素氧化，从而使含量下降。张艳晖等[55]研究发现，在避光条件下，紫色番茄花青素的质量略微下降，降解率为3.7%，在强光照射下花青素的质量分数由0.402 FW/g降至0.321 FW/g，降解率为20.1%。可见，光照对紫色番茄花青素有显著影响。分别以避光、室内自然光和室外自然光为单一变量下，保存紫茄皮花青素发现，避光下对紫茄皮的保存率影响较小，而室内自然光和室外自然光都对紫茄皮花青素的影响较大，说明光照影响茄子中花青素的稳定性，使茄子花青素的保存率下降[61]。避光条件下，紫色辣椒的花色苷降解速度缓慢，室内日光灯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会逐渐变为无色。说明，光照使紫色辣椒中的花青素降解[62]。

4.4 金属离子

Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+对黑果枸杞花青素颜色稳定性无显著影响；Cu2+对花青素溶液有明显退色作用；Al3+使花青素溶液明显增色；Fe2+使花青素溶液产生紫黑色沉淀；Fe3+破坏花青素类物质。在花青素的提取和应用时，应尽量避免接触铜、铝、铁的金属制品[63]。Fe2+、Fe3+、Cu2+对紫番茄中花青素的稳定性均有影响，因此紫色番茄在花青素的提取和保存过程中应尽量避免铁、铜制品[64]。Mg2+对茄子花青素起到护色增色的作用，Ca2+、Na+、Al3+对茄子花青素的稳定性影响较小，Zn2+和Cu2+的质量浓度增大使花青素溶液的吸光度明显降低[65]。Mg2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Al3+对紫色辣椒花青素基本无影响，Fe3+则对紫色辣椒花青素影响较大，使花青素溶液的吸光度降低至原溶液的45%[61]。

茄果类蔬菜的花青素合成是一个复杂且保守的过程，转录因子之间的相互作用对于茄果类蔬菜的花青素合成尤为重要。因此，通过开展茄果类蔬菜花青素结构、调控因子、影响因子等相关研究，对培育高花青素茄果类蔬菜，提高茄果类蔬菜的营养品质具有重要的指导意义。