甘薯是世界上重要的粮食、蔬菜、饲料、工业原料和生物能源作物。苯丙烷代谢是植物体内次生代谢物合成的重要途径。本文论述了甘薯苯丙烷类代谢物及其酶基因的研究进展。 Sweet potato is an important crop for food, vegetable, feed, industry raw materials and bioenergy source in the world. Phenylpropane metabolism is an important pathway for the synthesis of secondary metabolites in plants. This review provides the advances in phenylaprapanoid metabolism and its enzyme genes in sweet potato.
谢开珍,刘佳琪,任磊,张婷婷,王爱民*
江苏师范大学生命科学学院,江苏 徐州
收稿日期:2019年6月17日;录用日期:2019年7月1日;发布日期:2019年7月8日
甘薯是世界上重要的粮食、蔬菜、饲料、工业原料和生物能源作物。苯丙烷代谢是植物体内次生代谢物合成的重要途径。本文论述了甘薯苯丙烷类代谢物及其酶基因的研究进展。
关键词 :甘薯,苯丙烷代谢物,基因
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甘薯(Ipomoea batatas (L.) Lam.),是世界上重要的粮食、蔬菜、饲料、工业原料和生物能源作物 [
苯丙烷代谢是植物体内次生代谢物合成的重要途径。含苯丙烷骨架的所有物质都是直接或间接由这一途径产生的。以莽草酸途径来源的苯丙氨酸为最初原料 [
甘薯中,苯丙烷类代谢途径主要包括花青素、绿原酸、木质素等重要物质的代谢通路。本文主要对甘薯苯丙烷类代谢及其相关酶基因的研究进展做一概述。
两个酚羟基的苯环(A-与B-环)通过一个C3链连接而成的所有化合物统称类黄酮类化合物(flavonoids)。在植物体内类黄酮类化合物常常与糖结合成苷的更加稳定的形式。Winkel-Shirley根据其母核上C环的氧化程度、氧化位置的不同,将类黄酮类化合物分为六大类:黄酮(flavones),黄酮醇(flavonol),黄烷酮(flavanone),黄烷醇(flavan-3-ol),异黄酮(isoflavone)和花青素(anthocyanin) [
图1. 类黄酮类化合物的结构通式 [
花青素是类黄酮类化合物中最丰富的一类水溶性色素,大量存在于植物细胞的液泡中。于植物本身具有抗氧化和呈色等作用 [
有关花青素的另一个研究热点在于花青素的组分分析。1958年,Haborne等首次鉴定出紫甘薯花青素为经咖啡酸酰基化的矢车菊素3-槐糖苷5-葡糖苷 [
序号 | 花青素组分 |
---|---|
1 | cyaniding 3-sophorside-5-glucoside |
2 | pelargonidin 3-sophorside-5-glucoside |
3 | peonidin 3-sophorside-5-glucoside |
4 | cyanidin 3-p-hydroxybenzoylsophorside-5-glucoside |
5 | cyanidin3-(6″′-caffeoylsophorside)-5-glucoside |
6 | peonidin 3-p-hydroxybenzoylsophorside-5-glucoside |
7 | peonidin 3-(6″′-caffeoylsophorside)-5-glucoside |
8 | pelargonidin 3-(6″′-caffeoylsophorside)-5-glucoside |
9 | cyanidin 3-p-coumaryl sophorside-5-glucoside |
10 | cyanidin 3-feruloyl sophorside-5-glucoside |
11 | peonidin 3-p-coumaryl sophorside-5-glucoside |
12 | peonidin 3-feruloyl sophorside-5-glucoside |
13 | pelargonidin 3-feruloyl sophorside-5-glucoside |
14 | cyaniding 3-dicaffeoyl sophorside-5-glucoside |
---|---|
15 | cyanidin 3-caffeoyl sophorside-5-glucoside |
16 | cyanidin 3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophorside-5-glucoside |
17 | cyanidin 3-caffeoyl-feruloylsophorside)-5-glucoside |
18 | pelargonidin 3-caffeoyl sophorside-5-glucoside |
19 | peonidin 3-caffeoyl sophorside-5-glucoside |
20 | peonidin 3-dicaffeoyl sophorside-5-glucoside |
21 | pelargonidin 3-dicaffeoyl sophorside-5-glucoside |
22 | peonidin 3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophorside-5-glucoside |
23 | pelargonidin 3-caffeoyl-p-hydroxybenzoyl sophorside-5-glucoside |
24 | peonidin 3-caffeoyl-feruloylsophorside-5-glucoside |
25 | peonidin 3-caffeoyl-p-coumaryl sophorside-5-glucoside |
26 | pelargonidin 3-caffeoyl-feruloylsophorsideorside-5-glucoside |
27 | pelargonidin 3-caffeoyl-p-coumaryl sophorsideorside-5-glucoside |
表1. 甘薯块根中检测到的花青素组分 [
序号 | 花青素组分 |
---|---|
1 | Cyanidin 3-sophoroside-5-glucoside |
2 | Peonidin 3-sophoroside-5-glucoside |
3 | p-hydroxybenzoylated(Cyanidin 3-sophoroside-5-glucoside) |
4 | Caffeoylated(Cyanidin 3-sophoroside-5-glucoside) |
5 | P-hydroxybenzoylated(Peonidin 3-sophoroside-5-glucoside) |
6 | Caffeoylated(Peonidin 3-sophoroside-5-glucoside) |
7 | Feruloylated (Cyanidin 3-sophoroside-5-glucoside) |
8 | Cyanidin 3-(6,6′-caffeoyl-p-hydroxybenzoylsophoroside)-5-glucoside |
9 | Cyanidin 3-(6,6′-dicaffeoylsophoroside)-5-glucoside |
10 | Cyanidin 3-(6-caffeoylsophoroside)-5-glucoside |
11 | Cyanidin 3-(6,6′-caffeoylferuloylsophoroside)-5-glucoside |
12 | Peonidin 3-(6,6′-dicaffeoylsophoroside)-5-glucoside |
13 | Peonidin 3-(6,6′-caffeoyl-p-hydroxybenzoylsophoroside)-5-glucoside |
14 | Cyanidin 3-(6-caffeoylsophoroside)-5-glucoside |
15 | Peonidin 3-(6,6′-caffeoylferuloylsophoroside)-5-glucoside |
表2. 甘薯叶中检测到的花青素组分 [
绿原酸(chlorogenic acid),又名咖啡单宁酸,化学名为3-咖啡酰奎宁酸(3-ocaffeoylquinic acid),由咖啡酸与奎宁酸组成的缩酚酸,为甘薯苯丙烷代谢途径中含量最为丰富的酚类化合物 [
木质素(lignin)是植物苯丙烷类代谢的又一类重要产物,为一类复杂、非结晶、三维网状的高分子聚合物。木质素作为纤维素的粘合剂,可以增强植物体的机械强度。木质素是植物细胞壁的主要成分之一,植物的生长分化与细胞壁的活动紧密相关,其功能主要表现在植物抗逆性和抗病性两方面。甘薯块根中的木质素含量一般约为1.5%。王连平等的实验表明乙烯、赤霉素、细胞分裂素、生长素等4种生长调节物质可促进机械损伤的甘薯薯块的木质素的合成,尤其以赤霉素和乙烯作用最为显著(P < 0.01);而5种供试的化学物质中,苯丙氨酸和蔗糖对甘薯切片木质素合成有很强的促进作用,且两者之间呈高度的线性正相关,有机酸(阿魏酸、柠檬酸和香豆酸)等则影响很弱;温度、相对湿度、氧分压是影响木质素合成的三种物理因素,其中温度最重要,其次是氧分压,相对湿度作用最小 [
苯丙氨酸解氨酶催化L-苯丙氨酸脱去氨基形成反式肉桂酸,并在肉桂酸-4-羟化酶作用下羟基化形成反式-4-香豆酸,此为苯丙烷类代谢的核心途径。随后分别在香豆酸-3-羟化酶,4-香豆酸辅酶A连接酶、乙酰转移酶、查尔酮合成酶等酶作用下进入木质素、绿原酸以及黄酮类化合物(花青素等)合成的代谢途径。
苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanin ammonia-lyase, PAL),催化L-苯丙氨酸脱去氨基生成反式肉桂酸,是苯丙烷类公共代谢的第一步关键酶和限速酶,连接初级代谢与苯丙烷代谢。因此,PAL是苯丙烷代谢途径相关酶基因研究中研究最多的酶。Tanaka等克隆了甘薯PAL的cDNA序列,包含一个长为2121 bp的开放阅读框、编码707个氨基酸、22 bp的5′非编码区和207 bp的3′非编码区,并且推测PAL对甘薯受伤做出应答 [
肉桂酸-4-羟化酶(Cinnamate-4-hydroxylase, C4H):苯丙烷类物质公共代谢途径中第二步酶,催化苯丙氨酸代谢途径的第一个氧化反应,即催化肉桂酸羟基化形成反式-4-香豆酸。C4H是第一个被发现并成功克隆鉴定的编码P450单加氧酶的基因。杨春贤等利用RACE技术首次从甘薯中得到编码C4H的基因,命名为IbC4H [
花青素的合成代谢是类黄酮代谢途径中最重要的分支,由4-香豆酰–CoA连接酶催化香豆酸生成丙二酰辅酶A进入花青素合成,经查尔酮、黄酮醇柚皮素、二氢黄烷醇、二氢杨梅酮后合成各种花色素苷。甘薯花青素合成通路中已被克隆的相关酶基因包括查尔酮合成酶、查尔酮异构酶、类黄酮3′-羟化酶、二羟基黄酮醇还原酶、花青素合成酶、花青素还原酶和花青素3-O-糖苷-2″-葡萄糖基转移酶等。植物中花青素生物合成途径,如图2所示:
图2. 植物中花青素生物合成途径 [
查尔酮合成酶(Chalcone synthase, CHS)催化丙二酰辅酶A与香豆酰辅酶A生成柚皮素查尔酮,为黄酮类次级代谢提供原料。CHS不仅参与色素的形成,而且还与植物体内多种生理过程密切相关。甘薯中克隆得到的查尔酮合成酶基因,命名为IbCHS1,其cDNA全长1556 bp,其中包含编码388个氨基酸的1167 bp的开放阅读框。研究表明,IbCHS1基因主要在紫甘薯中表达,其表达水平与不同品种的甘薯花青素的含量呈正相关 [
查尔酮异构酶(Chalcone isomerase, CHI)是合成花青素途径的一个上游关键酶,催化查尔酮异构化形成黄酮醇柚皮素。查尔酮异构酶超家族包括四种类型的CHI蛋白,即具有CHI蛋白酶活性的Ⅰ型、Ⅱ型,脂肪酸结合蛋白Ⅲ型和目前尚未具体了解其功能的IV型 [
类黄酮3′-羟化酶(Flavonoid 3'-hydroxylase, F3′H)是一个细胞色素P450依赖酶,在花青素合成中的羟基化起着重要作用,催化黄酮醇柚皮素(Naringenin)转化酶为二氢黄烷醇(Dihydrokaempferol)。Zhou等克隆了甘薯IbF3′H,cDNA全长1789 bp,含1554 bp的开放阅读框,编码518个氨基酸。研究表明,在花青素积累较多紫甘薯块根中,IbF3′H具有较高水平的表达,而IbF3′H不表达的白心甘薯块茎中花青素含量远低于紫薯块茎 [
二羟基黄酮醇还原酶(Dihydroflavonol-4-Reductase, DFR)是合成花青素途径的一个下游关键酶,催化二羟基黄烷醇还原成无色花青素,与植物花色的修饰相关。赵宝杰等从紫甘薯块根中克隆的IbDFR基因,其cDNA全长l232 bp,编码398个氨基酸 [
花青素合成酶(Anthocyanin synthesis, ANS)是合成花青素途径倒数第二步的关键酶,催化无色花青素着色变成有色花青素。zhou等从紫肉甘薯中分离出IbANS全长cDNA序列,该基因包含了一个长1086 bp,编码362个氨基酸的开放阅读框 [
花青素还原酶(Anthocyanidin reductase, ANR)是原花青素代谢途径上的关键酶,催化矢车菊素转化成表儿茶素(2,3-顺式黄烷-3-醇),进一步向液泡中转运并聚合成原花青素。武传建等从徐薯3号中克隆出了一个编码ANR的IbANR基因,并发现了该基因的内含子多态性较高 [
花青素3-O-糖苷-2″-葡萄糖基转移酶(3-O-glucoside-2″-O-glucosyltransferase, 3GGT)催化花青素3-O-糖苷转化为花青素3-O-槐糖苷。现已从甘薯cDNA库中鉴定出全长为1380 bp,编码459个氨基酸的基因序列。Ib3GGT糖基化发生在细胞质基质,并且受到IbMYB1转录因子基因的调控。Ib3GGT利用尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-glucose)作为糖供体催化花青素3-O-糖苷转化为花青素3-O-槐糖苷。Ib3GGT上的138号苏氨酸(Thr-138)残基用以选择性识别糖供体,从而维持花青素的多样性与稳定性 [
类黄酮3-葡萄糖基转移酶(UDP-glucose: flavonoid 3-O-glucosyltransferase, UF3GT)催化葡萄糖基转移到花青素的3-羟基,在花青素生物合成途径中产生第一个稳定的中间体。从甘薯分离鉴定出IbUF3GT的全长cDNA序列1541 bp,包含1359 bp的开放阅读框,编码452个氨基酸。并进一步克隆了IbUF3GT的启动子序列,实验结果表明其转录启动活性的关键元件位于−758至−633 bp的区域,其转录水平可能受转录调控因子MYB、MYC和光、水杨酸及赤霉素的调控 [
现已经明确,调控花青素合成的转录因子主要有MYB家族、BHLH家族、WD40家族。Dong等从紫肉甘薯中克隆的IbWD40,全长1427 bp,含1032 bp开放阅读框,编码含343个氨基酸的多肽链。IbWD40主要位于细胞核中参与转录调控,在花青素等类黄酮物质的合成调控中起着至关重要的作用 [
绿原酸合成过程中主要涉及两个关键酶:一是奎宁酸肉桂酸羟基化转移酶(Quinatehydroxylcinnamoyl transferase, HQT),该酶催化咖啡酰辅酶A与奎宁酸反应生成咖啡酰奎宁酸(绿原酸);二是乙酰转移酶(Hydroxylcinnamoyl transferase, HCT),该酶催化羟基化香豆酰辅酶A与香豆酰莽草酸或香豆酰奎宁酸反应,生成绿原酸。绿原酸生物合成途径研究主要集中在茄科作物中,甘薯中绿原酸的生物合成途径及调控尚未见报道,参与其合成过程中重要的酶、关键基因、调控因子,都有待进行深入研究。
植物中主要存在三种木质素,即H-木质素、G-木质素、S-木质素,其合成过程中主要有3个关键酶,即4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate coenzyme A ligase, 4CL)、肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoA reductase, CCR)和肉桂醇脱氢酶(Cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)。目前没有甘薯木质素合成途径中相关酶的研究报道,而其合成调控因子可以找到相关研究。miR828通过调节下游靶基因IbMYB和IbTLD的表达而增加了木质素的合成 [
我国是甘薯种植大国,随着现代人们生活水平的不断提高,人们对于健康饮食越来重视。甘薯作为重要的粮食作物,富含蛋白质、淀粉、果胶、氨基酸、维生素及多种矿物元素,研究甘薯苯丙烷代谢途径,于甘薯具有提高产量和完善其基因组的意义,此类研究成果可用于农业生产,提高经济效益。紫甘薯富含花青素,而花青素具有抗癌、防衰老、美容养颜等作用,甘薯叶中含较多的绿原酸,绿原酸具有抗氧化、抑菌、免疫调节、抗肿瘤、保护肝脏等作用,因此,此类研究又可运用于医药保健、食品开发等领域。苯丙烷代谢产物花青素、绿原酸等在人们健康保健方面具有重要作用,而木质素对于甘薯在抗病虫害方面具有重要作用。于人类而言,运用基因工程等高科技技术手段的同时,也促进了生物领域的发展,带来巨大的经济效益,进一步满足人们追求绿色健康营养食品的需求。因此,对甘薯苯丙烷代谢途径的研究,具有广阔的前景。
江苏省高等学校自然科学研究项目(18KJB180005);徐州市科技计划重点研发计划(社会发展)项目(KC18143),江苏师范大学博士学位教师科研支持项目(18XLRS014);江苏师范大学大学生创新创业团队组建和研究项目;江苏高校优势学科建设工程资助项目。
谢开珍,刘佳琪,任 磊,张婷婷,王爱民. 甘薯苯丙烷类代谢及其酶基因研究进展 Advances in Phenylaprapanoid Metabolism and Its Enzyme Genes in Sweet Potato[J]. 植物学研究, 2019, 08(04): 355-365. https://doi.org/10.12677/BR.2019.84043