光照對大豆異黃酮合成影響研究進展

吳海軍 艾旭 賈夢菊 邱凡珂 趙洋

【摘 要】大豆異黃酮是大豆的一種重要次生代謝物，也是天然的抗癌防癌物質(zhì)。人類日常飲食中攝入異黃酮可以降低患激素依賴性癌癥的幾率，緩解更年期綜合征，減少患骨質(zhì)疏松及心血管病的風險。在實際生產(chǎn)過程中，田間光照環(huán)境的變化不僅對大豆產(chǎn)量具有較大變化，還對大豆異黃酮的代謝有著重要的影響，本文通過光照條件變化對大豆異黃酮產(chǎn)量的影響進行綜述，以期為大豆異黃酮的田間生產(chǎn)和進一步綜合開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】光照環(huán)境;大豆異黃酮;合成;研究進展

大豆，起源于我國，是世界許多國家和地區(qū)的主要食物品種之一。作為一種功能性食品，兩千多年前《神農(nóng)本草經(jīng)》首次記載了大豆及其藥用價值，并列為“中品”[1]。由于科技的發(fā)展，人們越來越重視飲食觀念的轉(zhuǎn)變和提高保健意識，大豆異黃酮對心血管降低人體多種雌激素依賴型疾病的發(fā)病率[2]，用于預防和治療心血管疾病、治療糖尿病、抗輻射、抗腫瘤、改變女性更年期、抗血栓生成和治療腎病都有很好的效果。市場上異黃酮類成分為主的制劑已用于保健品、食品和藥品等領(lǐng)域，而異黃酮的主要來源為大豆，研究大豆異黃酮的積累意義重大。本文綜述不同光照強度、光照時間和不同光質(zhì)對大豆異黃酮生物合成及關(guān)鍵酶基因表達情況的影響，為高異黃酮含量大豆種質(zhì)資源篩選和田間生產(chǎn)更多異黃酮提供參考。為功能性大豆的發(fā)展提供方向，進而在功能食品開發(fā)、藥食同源等方面指明方向。

1 異黃酮在大豆生育期的空間分布

大豆幼苗中異黃酮含量的增加，是因為光照促進了決定異黃酮合成的酶蛋白基因的表達，從而使與異黃酮合成有關(guān)的酶（如PAL、4CL、CHS和CHI等）的含量和活性大大增加所致。大豆幼苗子葉異黃酮含量大大高于葉片和根中的含量，光照處理后，子葉中異黃酮的含量降低，而葉片和根中的異黃酮含量上升;異黃酮含量較低的品種，幼苗光照后子葉中異黃酮含量上升較多。幼苗子葉中的異黃酮以大豆甙和染料木甙及其丙二酰衍生物為主，葉片中主要含有染料木甙及其丙二酰衍生物，根中異黃酮組分以丙二酰大豆甙為主。對休眠大豆種子中異黃酮各組分分布的研究結(jié)果顯示，大豆的子葉、胚軸和種皮分別占總大豆質(zhì)量的89.4%、2.25%和7.91%左右。總異黃酮含量在胚軸中最高，子葉次之，種皮中的異黃酮含量很低。在研究萌發(fā)中大豆異黃酮變化時發(fā)現(xiàn)，各種異黃酮的同系物在萌發(fā)過程中的含量會發(fā)生變化，其中葡萄糖苷在萌發(fā)開始3天和7天分別比初始含量下降15%和60%;丙二酰基葡萄糖苷在第3天時增長了30%，但是在第7天時又下降，相對于萌發(fā)初期下降了30%，總的苷元形式存在的異黃酮一周后比原來增長了5倍。大豆萌發(fā)在0-96h內(nèi)總異黃酮含量減少。在大豆萌發(fā)初期，大豆胚軸總異黃酮的含量總體呈下降趨勢，在大豆萌發(fā)的36h、62h時含量有明顯的回升，大豆萌發(fā)72h后，含量基本穩(wěn)定。子葉總異黃酮的含量呈下降趨勢，由最初的0.84 mg/g降到30h時的0.46 mg/g，之后含量有回升的趨勢，且在44h時達到0.84 mg/g。大豆萌發(fā)78h后，含量基本穩(wěn)定。大豆中異黃酮總含量在芽長為3cm時達到最高，豆芽芽莖中異黃酮的總含量顯著高于大豆原料和豆芽子葉。

2 光照對大豆異黃酮次生代謝的影響

2.1 光照強度對大豆異黃酮的影響

隨著光照強度的下降兩個大豆品種幼苗株高逐漸增加，而莖粗、根長、生物量以及根冠比降低，凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）隨光照強度的下降呈現(xiàn)先上后降的趨勢，氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）則逐漸上升。光照強度對不同品質(zhì)類型的大豆脂肪、蛋白質(zhì)含量均有很大的影響。隨著光照強度的降低，不同品質(zhì)類型大豆蛋白質(zhì)含量均呈上升趨勢，而脂肪含量均下降，蛋白質(zhì)脂肪總含量上升。品種間對光照強度變化的敏感程度不同，高蛋白品種對光照強度較遲鈍，而高脂肪品種對光照強度較敏感。

2.2 光照時間對大豆異黃酮的影響

苯丙氨酸裂解酶（PAL）是合成異黃酮途徑的第一個關(guān)鍵酶，PAL的表達可從一個方面反映異黃酮的合成表達情況。異黃酮在光照條件下PAL表達量比黑暗條件下高，而且其影響程度為低異黃酮含量的品種表現(xiàn)更敏感，其mRNA的合成受紅光、藍光、紫外光的促進，其中紫外光最有效;隨著處理時間的延長，mRNA的量和酶活性增加，但異黃酮的積累有所下降。在0～60?molm-2s-1紫外光照射強度范圍內(nèi)，發(fā)芽大豆的PAL活性和異黃酮含量隨著紫外先照射強度的增加而顯著提高。紅光照射顯著地促進發(fā)芽大豆的生長，紫外光抑制生長，而藍光和白光對發(fā)芽大豆的生長無明顯影響。與黑暗相比，每天8h紫外光、16h紅光和每天16h紫外光、8h紅先交替處理，既可以促進發(fā)芽大豆的生長，對異黃酮的合成積累又具有明顯的誘導促進作用。

2.3 光質(zhì)對大豆異黃酮的影響

與自然光照相比，紅光（610～660 nm）可顯著促進花生苗期根系生長，主側(cè)根長、側(cè)根數(shù)量多、干物質(zhì)積累多，根系活力強。黃光有利于大豆芽苗菜鮮重的增加，隨著光質(zhì)處理時間的延長，兩個品種大豆芽苗菜子葉中的大豆異黃酮含量總體呈先增加后降低或持續(xù)降低的趨勢，而下胚軸中的大豆異黃酮含量則總體呈先降低后增加的趨勢;培養(yǎng)至第6天時，下胚軸中的大豆異黃酮含量高于子葉中的含量;與黑暗培養(yǎng)相比，光照處理顯著提高了下胚軸中的大豆異黃酮含量，光照可明顯促進大豆幼苗特別是葉片中異黃酮的積累。大豆種子隨儲藏時間的增加，異黃酮含量逐漸降低;隨發(fā)育時間的增加，異黃酮含量逐漸提高。

3 大豆異黃酮合成關(guān)鍵基因研究進展

大豆異黃酮是豆科蝶形花亞科等極少數(shù)植物在生長過程中形成的一類次生代謝產(chǎn)物，是引起大豆食品苦澀味的主要因子之一，目前發(fā)現(xiàn)的12種單體分別以葡萄糖苷型，丙二?；咸烟擒招?，乙?；咸烟擒招秃陀坞x苷元四種形式存在，其中前兩種是大豆體內(nèi)的主要存在形式。大豆異黃酮的合成來自前體苯丙氨酸（phenylalanine），經(jīng)苯丙氨酸裂解酶（PAL）、香豆酸CoA連接酶（4CL）、苯基苯乙烯酮合酶（CHS）、苯基苯乙烯酮異構(gòu)酶（CHI）、異黃酮還原酶（IFR）等酶催化合成的，并有葡萄糖?；敢约疤腔D(zhuǎn)移酶參與其結(jié)構(gòu)合成（圖1）

大豆黃酮對人體有重要的作用但是其含量低代謝復雜，通過基因和代謝工程手段來研究大豆的代謝具有良好前景。Jung等首次從大豆中分離得到IFS后，立即進行了基因工程研究。他們將IFS基因轉(zhuǎn)化野生型擬南芥，轉(zhuǎn)基因擬南芥中檢測到染料木黃酮合成，產(chǎn)量約為2ng/mg植物鮮重。隨后Yu等將來自大豆的 IFS 轉(zhuǎn)化野生型煙草，有趣的是在轉(zhuǎn)基因煙草的花中，染料木黃酮的含量約為2ng/mg，而在轉(zhuǎn)基因煙草葉片中未能檢測到異黃酮的合成。Yu等推測造成染料木黃酮積累器官特異性的原因是底物量的限制。柚皮素也是花青素合成的一個前體，由于花瓣中合成花青素的代謝途徑處于活躍狀態(tài)，這保證了可以向IFS提供較多的底物柚皮素，而葉片中合成花青素的代謝途徑處于未被激活的狀態(tài)，即使同樣表達IFS，但由于受到底物量的限制，產(chǎn)生的染料木黃酮明顯低于花瓣。Liu等將IFS轉(zhuǎn)化到F3H和DFR受抑制的擬南芥中，發(fā)現(xiàn)擬南芥中染料木黃酮含量是野生型10～50倍，證實了Yu等的推測。CRC是調(diào)控花青素代謝途徑的轉(zhuǎn)錄因子，能夠激活此途徑中一系列參與色素合成的酶的表達。把IFS基因與玉米的CRC共同轉(zhuǎn)化玉米，發(fā)現(xiàn)能夠合成紅色花青素的紅色玉米能夠積累染料木黃酮。Kim等將水稻的P450還原酶和紅三葉草的IFS基因轉(zhuǎn)入酵母中共表達，染料木素的產(chǎn)量提高4.3倍。不同光質(zhì)及其不同光質(zhì)照射時間，以及不同光質(zhì)照射組合方式對大豆異黃酮的積累及異黃酮關(guān)鍵酶的活性及其關(guān)鍵基因表達的影響有所不同。徐茂軍[22]等人的研究表明，與對照（黑暗）相比，紫外光、藍光、白光對PAL活性及異黃酮的積累有促進作用，而紅光起抑制作用。延長單色光照射時間，紫外光下PAL活性及異黃酮積累量隨照射時間增加而增加，紅光下下降，而藍白光無顯著影響。紅光對于大豆生長有明顯的促進作用，而紫外光有明顯的抑制作用，實驗結(jié)果表明，紫外光照射在60μmol/（m2·s）光照強度范圍內(nèi)，發(fā)芽大豆的PAL活性和異黃酮含量隨著紫外光照射強度的增加而顯著提高。與黑暗對照相比，每天8h紫外光、16h紅光和每天16h紫外光、紅光交替處理，既可以促進發(fā)芽大豆的生長，對異黃酮的合成積累又具有明顯的誘導促進作用。謝靈玲[23]等人的研究表明，持續(xù)白光下大豆PAL基因mRNA合成比黑暗下多。不同單色光處理的大豆PAL基因mRNA合成也比黑暗下多，其中紫光處理的mRNA合成比紅光和藍光處理（4h、8h、12h）要高，紅光和藍光的效應相似。大豆PAL基因mRNA合成量隨紫光照射時間的延長而遞增。

4 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，對藥食同源食物和功能性食品需求越來越多。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，大豆異黃酮的生物合成及品質(zhì)變化規(guī)律受光環(huán)境影響較大，而我國又存在地少人多和土地后備資源嚴重不足的基本國情。通過光質(zhì)、光強、光照時間等掌握光調(diào)節(jié)的規(guī)律，使其更加有利于田間生產(chǎn)大豆異黃酮的聚集，為大豆精深加工、功能食品開發(fā)、保健藥品研制等打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]毛峻琴，宓鶴鳴. 大豆異黃酮的研究進展[J]. 中草藥，2000，31（1）：61-64.

[2]王守英，李志春，卜勇軍. 大豆異黃酮的生物學作用研究進展[J]. 新鄉(xiāng)醫(yī)學院學報，2005，22（4）：397-400.

[3]潘麗華，羅建平. 大豆功能因子對心血管疾病作用的研究進[J]，食品科學，2005，26（8）：445-448.

基金項目：

四川旅游學院2020年度校級科研項目（編號：2020SCTU77）資助。

（作者單位：1.四川旅游學院食品學院;2.四川旅游學院經(jīng)濟管理學院;3.四川旅游學院馬克思主義學院;4.四川旅游學院川菜發(fā)展研究中心）