類胡蘿卜素研究進展文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u3628類胡蘿卜素研究進展文獻綜述 1177341.1類胡蘿卜素簡述 1228081.2植物類胡蘿卜素的生物合成 2305791.3植物類胡蘿卜素代謝調(diào)控的研究 41.1類胡蘿卜素簡述類胡蘿卜素是自然界存在的一類天然色素的總稱，是含有多個共軛雙鍵的萜類物質(zhì)。類胡蘿卜素的基本骨架是由8個首尾相連的異戊二烯單位連接而成的，其所呈現(xiàn)的顏色也會隨著共軛雙鍵數(shù)目的變化而變化，共軛雙鍵數(shù)目越多，顏色越趨近于紅色(王貴元，2007)。目前，自然界中已經(jīng)有800多種類胡蘿卜素被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)組成其化學結構的元素不同，可以分為胡蘿卜素和葉黃素兩類，胡蘿卜素中只含有C、H兩種元素，如α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和番茄紅素等，而葉黃素中含有C、H、O三種元素，可以形成羧基、羥基、甲氧基、酮基等官能團，如葉黃素和蝦青素等（圖1-1）。圖1-1常見的類胡蘿卜素結構式注：A:八氫番茄紅素;B:番茄紅素;C:α-胡蘿卜素;D:β-胡蘿卜素;E:葉黃素;F:玉米黃素;G:環(huán)玉米黃素;H:堇菜黃素Figure1-1StructuralformulasofcommoncarotenoidsNote：A:Phytoene;B:Lycopene;C:α-Carotene;D:β-Carotene;E:Lutein;F:Zeaxanthin;G:Antheraxanthin;H:Violaxanthin類胡蘿卜素種類繁多，分布廣泛，在高等植物、微生物、藻類中均有分布。類胡蘿卜素對于人體和動植物都具有十分重要的作用（Estebanetal.,2015）。對于人和動物而言，類胡蘿卜素是抗氧化劑，可以激活免疫系統(tǒng)，預防心血管疾病、癌癥等多種疾?。痪S生素A是人類必需的膳食營養(yǎng)，但是人體卻無法合成，只能通過類胡蘿卜素合成（范立梅，2001）。除此之外，類胡蘿卜素還是植物光合系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的主要組成成分，它可以作為光合作用的輔助色素，起著吸收傳遞電子的作用，同時淬滅過剩的光能，保證光合作用的順利進行；清除活性氧自由基，保護植物細胞；作為光受體，參與植物的光形態(tài)建成，保護植物免受光氧化傷害（Houetal.,2016;Rameletal.,2013;Zhouetal.,2015）；還是植物激素脫落酸（Abscisciacid，ABA）和獨腳金內(nèi)酯（strigolactone，SL）的合成前體(Khoslaetal.,2016)；類胡蘿卜素還能使植物的花、果實呈現(xiàn)紅色、橙色等。1.2植物類胡蘿卜素的生物合成在植物體中，類胡蘿卜素的生物合成和儲存主要在質(zhì)體中。類胡蘿卜素的生物合成起源于兩種異戊二烯異構體，即異戊烯基二磷酸（IPP）及其烯丙異構體二甲基烯丙基二磷酸酯(DMAPP)（Rodriguez-Concepcion,2010）。生物體內(nèi)有兩條途徑可合成IPP，即存在于細胞質(zhì)的甲羥戊酸途徑（MVA）和質(zhì)體中的甲基赤蘚糖醇途徑（MEP）。在植物體中，類胡蘿卜素的合成是在質(zhì)體中通過MEP途徑合成IPP的（Rodriguez-Concepcion,2002;Eisenreichetal.,2004）。在MEP途徑中，以甘油醛3-磷酸（glyceraldehyde3-phosphate）和丙酮酸（pyruvate）為初始底物，在1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）和5-磷酸脫氧木酮糖還原異構酶（DXR）的催化下，生成IPP與DMAPP。研究表明，DXS與DXR在類胡蘿卜素生物合成的通量調(diào)控中發(fā)揮重要作用。DXS和DXR在擬南芥幼苗中的過表達增加類胡蘿卜素的產(chǎn)生，而IPP和DMAPP可以負反饋調(diào)節(jié)其活性。IPP與DMAPP隨后在牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合成酶（GGPPS）的作用下，經(jīng)過縮合反應，生成類胡蘿卜素前體—牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（GGPP）（Ghirardoetal.,2014;刁衛(wèi)楠，2021）。在八氫番茄紅素合成酶（PSY）的作用下，2分子的GGPP形成第一種類胡蘿卜素—八氫番茄紅素（15-cis-phytoene）。在類胡蘿卜素的生物合成中，PSY被認為是這一途徑的限速酶。小麥、玉米、水稻等禾谷類作物中有3個PSY基因（Dibarietal.,2012;Lietal.,2008a,2008b;Welschetal.,2008），胡蘿卜（Justetal.,2007）和木薯（Arangoetal.,2010）中有2個PSY基因，擬南芥中僅有1個PSY基因。八氫番茄紅素在八氫番茄紅素脫氫酶（PDS）和ζ-胡蘿卜素脫氫酶（ZDS）兩種脫氫酶以及類胡蘿卜素異構酶（CRTISO）的作用下，生成全反式番茄紅素（all-trans-lycopene）。然而，在細菌中，CrtI酶可直接以八氫番茄紅素為底物，催化形成全反式番茄紅素（徐昌杰，2000；Nisaretal.,2015）。番茄紅素的環(huán)化是植物體內(nèi)類胡蘿卜素代謝途徑的一個重要分支點，可形成兩條途徑。其中一條途徑為番茄紅素在番茄紅素β-環(huán)化酶（β-LCY）的作用下，兩個末端均形成β-環(huán)，生成β-胡蘿卜素；另一條途徑為番茄紅素ε-環(huán)化酶（ε-LCY）催化番茄紅素的一端形成ε-環(huán)，生成δ-胡蘿卜素，隨后在β-LCY的作用下，在其另一個末端形成β-環(huán)，生成α-胡蘿卜素。在大多數(shù)植物和藻類中，含有兩個ε-環(huán)的類胡蘿卜素并不常見。從八氫番茄紅素到α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素，都只含有C、H兩種元素，統(tǒng)稱為胡蘿卜素（王紫璇，2021;Sunetal.,2018）。從胡蘿卜素類形成葉黃素類，需要在胡蘿卜素分子中引入甲氧基、酮基、羥基和酯鍵等官能團。α-胡蘿卜素在β-羥化酶（β-OHase）和ε-羥化酶（ε-OHase）的作用下，經(jīng)過兩次生成羥基化反應，生成葉黃素（lutein）。β-胡蘿卜素在β-羥化酶的催化下生成β-隱黃素（β-cryptoxanthin），進而形成玉米黃素（zeaxanthin）。接著，玉米黃素環(huán)氧化酶（ZEP）催化兩次羥基化反應，生成花藥黃質(zhì)（antheraxanthin）和紫黃質(zhì)（violaxanthin）。在植物中，由ZEP催化的反應可以被逆轉(zhuǎn)，紫黃素脫環(huán)氧酶(VDE)是一種與ZEP功能相反的酶，它可以催化紫黃質(zhì)形成花藥黃質(zhì)，進而形成玉米黃素，這個過程又被稱為葉黃素循環(huán)（樊寶蓮，2021;Sunetal.,2018）。紫黃質(zhì)又在新黃素合酶（NXS）的催化下生成新黃素（neoxanthin），這是類胡蘿卜素生物合成途徑的最后一步。在此途徑中生成的紫黃質(zhì)和新黃素，經(jīng)9-順式環(huán)氧類胡蘿卜素單加氧酶（NCED）催化可形成脫落酸（ABA）。類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCDs）通過氧化裂解類胡蘿卜素，形成獨腳金內(nèi)酯、揮發(fā)物等物質(zhì)（Neumanetal.,2014）（圖1-2）。圖1-2高等植物類胡蘿卜素的生物合成途徑（Nisaretal，2015）Figure1-2Biosyntheticpathwaysofcarotenoidsinhigherplants（Nisaretal，2015）1.3植物類胡蘿卜素代謝調(diào)控的研究盡管植物類胡蘿卜素生物合成的代謝途徑已經(jīng)得到廣泛研究，但是其調(diào)控機制目前仍不是很明確。類胡蘿卜素的代謝調(diào)控是一個極其復雜的過程，會受到光照、轉(zhuǎn)錄因子、基因表達、質(zhì)體發(fā)育和激素等多種因素的影響。質(zhì)體是植物類胡蘿卜素生物合成和貯存的場所，具有多種存在類型：前質(zhì)體（proplastid）、淀粉質(zhì)體（amyloplast）、白化體（etioplast）、葉綠體（chloroplast）、有色體（chromoplast），其中前質(zhì)體不具有類胡蘿卜素合成能力（Jarvisetal.,2013）。雖然前質(zhì)體不具備類胡蘿卜素合成能力，但是其他幾種質(zhì)體都起源于前質(zhì)體。淀粉質(zhì)體多存在于種子、根和塊莖中，類胡蘿卜素含量低，主要含有葉黃素類；白化體是植物葉綠體發(fā)育的中間階段，主要含葉黃素、紫黃質(zhì)和葉綠素原；葉綠體是植物進行光合作用的場所，其類囊體膜中含有大量類胡蘿卜素，以輔助光合組作用的進行；有色體中積累大量的類胡蘿卜素，存在于花、果實和蔬菜中。由于這些質(zhì)體具有不同的形態(tài)和功能，因此他們合成與儲存類胡蘿卜素的能力也有很大差別（Sunetal.,2018；Lietal.,2016）（圖1-3）。圖1-3類胡蘿卜素積累與儲存的質(zhì)體類型（Sunetal，2018）Figure1-3Plastidtypesandsequestrationstructuresinrelationtocarotenoidaccumulation（Sunetal，2018）轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor,TF)可以通過特異性結合基因啟動子區(qū)的順式作用元件，啟動并調(diào)控基因表達，進而影響整個基因表達網(wǎng)絡。轉(zhuǎn)錄因子對類胡蘿卜素合成的調(diào)控作用，主要是通過影響類胡蘿卜素合成途徑中的酶基因表達來實現(xiàn)（宋小艷，2015）。目前已發(fā)現(xiàn)有多種轉(zhuǎn)錄因子可以直接或間接參與類胡蘿卜素的生物合成與代謝，主要有NAC家族、AP2/ER家族、MYB家族、BBX家族、MADS-box家族等。其中，PSY基因受到多種轉(zhuǎn)錄因子的正向調(diào)控，包括轉(zhuǎn)錄因子MAD-RIN、SlCMB1、TAGL1、SlMBP15、FUL1、FUL2和SlNAC4；同時，它也受到轉(zhuǎn)錄因子MADS1、SlMBP8、SlFYFL、RAP2.2、SlAP2a、PIF、SlAN2和SlNAC1的反向調(diào)控（朱運欽，2016）。在擬南芥發(fā)育過程中，光敏色素相互作用因子PIFs（phytochrome-interactingfactors）能直接結合到PSY基因啟動子的G-box元件上，抑制PSY基因的表達，負調(diào)控白化體中類胡蘿卜素的生物合成（付佳玲，2020）。在番茄中的研究也表明，PIF1a能夠與PSY1基因啟動子中PBE-box順式作用元件結合，從而抑制PSY1基因的表達，抑制類胡蘿卜素的合成（Toledo-Ortizetal.,2010）。RIN(Ripeninginhibitor)是MADS-box家族轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的成員，在調(diào)控植物營養(yǎng)生長、開花時間和花的發(fā)育等過程中具有重要作用。在番茄果實組織中，RIN通過與番茄PSY1基因的啟動子相互作用來調(diào)節(jié)類胡蘿卜素積累（Hanetal.,2016;方秋瀅，2020）。PDS基因分別受到轉(zhuǎn)錄因子SlCMB1、SlMBP15的正向調(diào)控和SlMBP8、SlFYFL、RAP2.2和SlAN2的負調(diào)控；轉(zhuǎn)錄因子SlNAC4可以正調(diào)控LCYB和LCYE基因（樊寶蓮，2021）。光是影響植物類胡蘿卜素生物合成和代謝的重要環(huán)境因子。在擬南芥去黃化過程中，光照能促進子葉中的白化體向葉綠體轉(zhuǎn)化，使MEP代謝途徑中的幾乎所有編碼基因表達均上調(diào)，從而促使葉綠體中大量積累類胡蘿卜素（盧素文，2017；朱運欽，2016）。葡萄柚的愈傷組織在光照條件下，PDS基因的表達受到抑制，使β-carotene和總類胡蘿卜素的含量都明顯下降（Gaoetal.,2011）。類胡蘿卜素的積累也會受到光質(zhì)的影響，在番茄果實轉(zhuǎn)色期增加紅光照射可以顯著提高果實中番茄紅素的含量，而遠紅光則會減弱紅光處理對番茄紅素的促進作用（吳圓圓，2020）。Ma等發(fā)現(xiàn)用LED紅光處理離體培養(yǎng)的柑橘果皮，能夠增強PSY、PDS、ZDS、LCYb1、LCYb2、β-胡蘿卜素羥化酶基因(HYb)和玉米黃質(zhì)環(huán)化酶基因(ZEP)的表達并且提高柑橘果皮中β-隱黃質(zhì)的含量。光照強度還會影響葉黃素循環(huán)，在弱光或黑暗條件下，玉米黃素環(huán)氧化酶(ZEP)的活性較高，催化玉米黃素向紫黃質(zhì)轉(zhuǎn)化；而在強光下條件下，紫黃素脫環(huán)氧酶(VDE)有較高的活性，促進紫黃質(zhì)向玉米黃素轉(zhuǎn)化（李曉萌，2020）。乙烯(ET)對促進果實成熟以及類胡蘿卜素積累具有重要作用，抑制果實內(nèi)ET的合成能夠阻礙果實的成熟和番茄紅素的積累。在轉(zhuǎn)基因番茄中，通過抑制ACS2(ACCSYNTHASE2)基因的表達可以減少果實中ET的合成，從而導致轉(zhuǎn)基因番茄果實無法成熟，番茄紅素含量也明顯下降（Gaoetal.,2008）。脫落酸和生長素也能影響類胡蘿卜素的積累。通過特異性地抑制番茄果實中ABA生物合成關鍵酶基因NCED1的表達，不僅抑制果實ABA的合成，也影響果實中番茄紅素、β-胡蘿卜素的積累（Sunetal.,2012）。對處于綠熟期的櫻桃番茄噴施外源IAA，顯著影響果實中類胡蘿卜素的積累（李家寅，2017）。對于植物而言，類胡蘿卜素的積累是其生物合成途徑中各種酶基因協(xié)調(diào)表達的結果，通過修飾類胡蘿卜素生物合成途徑中各種酶基因的表達（過量表達或沉默表達）能夠有效地調(diào)控類胡蘿卜素的代謝。目前研究較多的有八氫番茄紅素合成酶基因(PSY)、八氫番茄紅素脫氫酶基因(PDS)、番茄紅素β-環(huán)化酶基因(LCY-β)和番茄紅素ε-環(huán)化酶基因(LCY-ε)。Maass等在擬南芥(Arabidopsisthaliana)種子的愈傷組織中過表達PSY基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因擬南芥種子的愈傷組織中類胡蘿卜素總含量增加10倍，而且類胡蘿卜素的各組分含量也發(fā)生變化；野生型擬南芥種子愈傷組織中主要積累葉黃素，而轉(zhuǎn)基因種子愈傷組織中積累的主要是β-胡蘿卜素，其次是葉黃素。