彩色馬鈴薯花青素研究進(jìn)展

肖旭峰 李猛 伍夢(mèng)婷

摘要：彩色馬鈴薯花青素含量很高，并且具有多項(xiàng)保健功能。主要介紹了花青素的結(jié)構(gòu)、生物合成、基因調(diào)控、環(huán)境脅迫以及生物學(xué)活性。為彩色馬鈴薯花青素的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供資料。

關(guān)鍵詞：彩色馬鈴薯;花青素;研究進(jìn)展

馬鈴薯原產(chǎn)南美安第斯山脈南部，是茄科一年生草本植物，在400年前傳入我國(guó)。馬鈴薯是受人們喜歡的一種蔬菜，又是繼小麥、玉米、水稻的第四大糧食作物。它營(yíng)養(yǎng)豐富全面，含有1.5%～2.2%的蛋白質(zhì)，9%～20%的淀粉，特別是維生素含量高，脂肪少[1]。全世界近50%的馬鈴薯作為蔬菜和糧食，其余的用于深加工，制成食品、飼料和淀粉等[2]。馬鈴薯的薯肉一般為白色、黃色。薯肉為紫、紅、藍(lán)、黑等顏色的叫彩色馬鈴薯。它不僅含有普通馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)成分，還富含花青素。

1 花青素的結(jié)構(gòu)

花青素（anthocyanin）是廣泛存在高等植物中的水溶性色素，屬于類(lèi)黃酮化合物?，F(xiàn)已知的花青素有20種，其中天竺葵素、矢車(chē)菊素、飛燕草素、芍藥花素、矮牽牛素和錦葵素為最常見(jiàn)的色素，這些在馬鈴薯中都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)[3]。

花青素的主要結(jié)構(gòu)為含2-苯基苯并毗喃陽(yáng)離子的多羥基和甲基衍生物，如圖1所示。

花青素在自然條件下很少見(jiàn)，一般同各種有機(jī)酸結(jié)合形成花色苷，由于有機(jī)酸的種類(lèi)、數(shù)量以及結(jié)合的位置不同，所以形成不同種類(lèi)的花色苷，表現(xiàn)出紫色、紅色和藍(lán)色等[5]。紫色馬鈴薯中的花色苷是以5種花色素苷元的不同形式存在，而其穩(wěn)定性與花色苷分子結(jié)構(gòu)中糖基化和酞基化的位置、數(shù)量，羥基化的數(shù)量，甲基化強(qiáng)度有關(guān)，其中糖基化、甲基化增強(qiáng)穩(wěn)定化，羥基化降低穩(wěn)定性[5]。

2 彩色馬鈴薯花青素生物合成及基因調(diào)控

彩色馬鈴薯花青素生物合成途徑較為清楚，合成途徑主要分為3個(gè)階段。第1階段是由苯丙氨酸在裂解酶催化下形成4-香豆酞Co A;第2階段是4-香豆酰Co A經(jīng)過(guò)丙二酰CoA形成二羥黃酮醇，這一過(guò)程是類(lèi)黃酮代謝的關(guān)鍵反應(yīng)[6]。第3階段是在DFR作用下，將無(wú)色二羥黃酮醇轉(zhuǎn)化為無(wú)色花青素，再通過(guò)ANS/LDOX的催化，經(jīng)氧化、脫水形成未修飾、有顏色的花青素[7]。

花青素的生物合成是由兩類(lèi)基因調(diào)控的。一類(lèi)是結(jié)構(gòu)基因，它主要是編碼花青素合成過(guò)程中的相關(guān)酶，如苯丙氨酸解氨酶（PAL），查爾酮合成酶（CHS），花色素合成酶（ANS）等[8]。另一類(lèi)是調(diào)節(jié)因子，在不同的植物中，已分離出3種轉(zhuǎn)錄因子：一是MYB轉(zhuǎn)錄因子，它具有保守的MYB結(jié)構(gòu)域，參與花青素的合成調(diào)控，如在馬鈴薯中分離出的Stmyc、R2R3，其中R2R3MYB蛋白跟類(lèi)黃酮的代謝途徑有密切的關(guān)系[9]。二是bHLH類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，參與合成類(lèi)黃酮以及調(diào)節(jié)花器官的發(fā)育等[10]，bHLH類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子也能抑制花青素的合成，在擬南芥中，bHLH類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子GL2可調(diào)節(jié)MBW的表達(dá)，抑制花青素的合成[11]。三是W D40類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，WD40蛋白不僅可以調(diào)控花青素的合成，還與PAs，種子釀黏質(zhì)的積累、根毛和毛狀體的發(fā)育有關(guān)[12]，MYB蛋白與bHLH結(jié)合，共同調(diào)控花青素合成途徑中結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，MYB還可同 bHLH和WD40可以在植物體內(nèi)共表達(dá)，促進(jìn)花青素的合成[13]。

隨著測(cè)序技術(shù)的高速發(fā)展，組學(xué)技術(shù)在全面分析馬鈴薯中的花青素生物合成中被廣泛應(yīng)用。對(duì)馬鈴薯品種新大坪和黑美人進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)參與花青素生物合成的新基因UFGT和轉(zhuǎn)錄因子MYB AN1和bHLH1，并進(jìn)行了預(yù)測(cè)和驗(yàn)證[14]。對(duì)馬鈴薯品種Hongyoung，Jayoung和大西洋的轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)有119個(gè)轉(zhuǎn)錄本和22種化合物之間有密切聯(lián)系，這些轉(zhuǎn)錄本主要來(lái)自類(lèi)黃酮代謝、信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過(guò)程，同時(shí)建立了Hongyoung和Jayoung 2個(gè)品種的花青素生物合成的基因連接網(wǎng)絡(luò)[15]。

3 環(huán)境脅迫對(duì)馬鈴薯花青素合成的影響

外界環(huán)境因素對(duì)花青素的合成具有重要影響，對(duì)合成后修飾、轉(zhuǎn)運(yùn)影響的研究還很罕見(jiàn)。環(huán)境脅迫主要表現(xiàn)在通過(guò)調(diào)控結(jié)構(gòu)蛋白或調(diào)節(jié)基因影響花青素的形成、含量，通過(guò)加速或減緩花青素苷的降解來(lái)維持其穩(wěn)定性，主要的影響因子為光照和溫度。

3.1 光照

光是影響花青素合成最重要的環(huán)境因子之一，光對(duì)花青素合成的作用是光誘導(dǎo)促進(jìn)了花青素合成的結(jié)構(gòu)基因及其轉(zhuǎn)錄因子的啟動(dòng)和表達(dá)。光強(qiáng)影響細(xì)胞內(nèi)花青素的積累。矮牽牛研究表明，強(qiáng)光通過(guò)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)蛋白GHS、F3S等高表達(dá)，調(diào)節(jié)基因PAP1、PAP2等含量上升，促使花青素合成[16]。弱光能促使擬南芥結(jié)構(gòu)蛋白GHS、F3S等的表達(dá)，調(diào)節(jié)蛋白TT8、TTG1等含量下降，導(dǎo)致花青素含量減少[17]。光質(zhì)對(duì)花青素的形成起著很關(guān)鍵的作用，藍(lán)光可使油菜調(diào)節(jié)基因Bn CRY1含量升高，促進(jìn)花青素的合成[18]。紅光處理導(dǎo)致花青素合成的總量下降[19];紫外線可使結(jié)構(gòu)蛋白PAL、CHS、F3S等基因表達(dá)量上升，花青素含量升高[20]。

3.2 溫度

花青素的合成對(duì)溫度比較敏感。溫度主要是通過(guò)對(duì)花青素生理代謝、關(guān)鍵酶基因的影響來(lái)調(diào)控花青素的合成。在代謝方面，低溫降低了暗呼吸的速率，加速了糖的積累，促進(jìn)了花青素的合成。高溫使碳水化合物儲(chǔ)備不足，促使花青素的糖苷鍵發(fā)生水解從而為植物體補(bǔ)充能量，所以高溫時(shí)花青素含量下降[21]。在酶基因方面，低溫使PAL、CHS、CHI和DFR基因的轉(zhuǎn)錄水平升高，高溫卻抑制基因表達(dá)，并且R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子基因BoPAP1在低溫誘導(dǎo)下表達(dá)增強(qiáng)，促進(jìn)花青素的積累[22]。

4 花青素的生物學(xué)活性

4.1 杭氧化性

馬鈴薯花青素具有抗氧化性是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)中的羥基化程度、?；吞擒栈?lèi)型決定的，屬于天然多酚類(lèi)化合物，是天然抗氧化劑，能夠清除體內(nèi)的自由基，維持內(nèi)環(huán)境的平衡，具有高效、安全等特點(diǎn)。Han K H研究表明，紫肉馬鈴薯花青素具有清除自由基、抑制亞麻酸氧化等抗氧化性[23]。彩色馬鈴薯含花青素高，是一般馬鈴薯的3～4倍，氧自由基清除能力是一般馬鈴薯的2.5～3倍[24]。花青素的抗氧化能力呈現(xiàn)出劑量一效應(yīng)正相關(guān)，但達(dá)到一定濃度時(shí)，其抗氧化活性出現(xiàn)飽和，不再增加?；ㄇ嗨剡€可和馬鈴薯塊莖中的其他抗氧化物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用，使馬鈴薯的總抗氧化能力加強(qiáng)。用花青素去處理老齡小鼠，在其神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)由自由基所誘導(dǎo)的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的有所降低，起到了抗衰老作用。

4.2 杭腫瘤

研究證明，花青素對(duì)腫瘤細(xì)胞具有很強(qiáng)的抑制作用。酪氨酸激酶是癌基因的主要產(chǎn)物，花青素作為酪氨酸激酶抑制劑，阻斷酪氨酸激酶的活性，從而抑制腫瘤細(xì)胞的無(wú)限增殖[25]。同時(shí)，花青素還能促使腫瘤細(xì)胞凋亡、防止腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移等作用。抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移是治療癌癥最重要的問(wèn)題之一。各種不同的花青素抑制抗腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的能力不同，飛燕草花色素比其他花青素能力更強(qiáng)[26]。馬鈴薯花青素含量高，在抗腫瘤中起到很好的效果。研究表明，紫色馬鈴薯中的花青素能誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡[27]。Reddivari等研究表明，馬鈴薯花青素提取物可以明顯抑制前列腺癌細(xì)胞的增殖[28]。Hayashi研究發(fā)現(xiàn)，紅色馬鈴薯的花青素能夠誘導(dǎo)入的胃癌細(xì)胞凋亡，對(duì)老鼠胃癌細(xì)胞有明顯的抑制作用，說(shuō)明食用含有花青素的彩色馬鈴薯對(duì)胃癌有預(yù)防作用[29]。

4.3 保護(hù)血管、防動(dòng)脈硬化

花青素能抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，清除自由基，提高血管抵抗力，降低毛細(xì)血管滲透性，保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞。Yamakoshi等[30]研究發(fā)現(xiàn)，花青素能使兔血清低密度脂蛋白（LDL）氧化產(chǎn)物減少，降低血漿和動(dòng)脈壁組織液的自由基，起到抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用。有研究表明，紫色馬鈴薯：花青素含量高，可防治高脂所造成的氧化損傷，提高肝臟、血清抗氧化酶的活性;還可促進(jìn)盲腸的發(fā)酵作用并能促進(jìn)類(lèi)固醇排泄，減少血液中的膽固醇含量[31]。

4.4 抗菌作用

花青素具有較好的抗菌作用?；ㄇ嗨赝承┫嚓P(guān)的酶結(jié)合以后，使細(xì)胞失去活性，促使細(xì)胞死亡，從而產(chǎn)生良好的抗菌效果[32]。花青素及矢車(chē)菊色素具有良好的抗菌作用，甚至優(yōu)于阿斯匹林?；ㄇ嗨芈然锬芨纳莆葛つぷ璧K物的作用，增加重碳酸鹽的分泌，對(duì)胃黏膜損傷有保護(hù)作用[33]，Hayashi K發(fā)現(xiàn)紅色馬鈴薯花青素具有抗流感病毒的作用[34]。有研究結(jié)果顯示花青素能抑制口腔中的白色念珠菌的生長(zhǎng)和繁殖，阻止口腔上皮細(xì)胞發(fā)生炎癥[35]。

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外的研究表明，彩色馬鈴薯花青素具有很多有益的生物活性，在食品、保健品和化妝品領(lǐng)域有所應(yīng)用。但花青素的合成代謝過(guò)程還未完全被人類(lèi)了解，所以花青素的應(yīng)用受到限制。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)花青素的生物合成過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制、花青素代謝機(jī)制、環(huán)境對(duì)花青素的影響等方面有了更深人的認(rèn)識(shí)，為花青素的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供了理論支持。

（收稿：2019-06-13）

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作者簡(jiǎn)介：肖旭峰，女，副教授，主要從事蔬菜栽培生理與生物技術(shù)。