观赏植物花色相关的类胡萝卜素组成及代谢调控研究进展

　　摘要：类胡萝卜素是一类重要显色化合物，在花色形成中起重要作用，是赋予植物呈现黄色到红色的物质基础之一，其中α胡萝卜素(αcarotene)、β胡萝卜素(βcarotene)以及叶黄素类(Xanthophylls)等呈黄色，番茄红素(Lycopene)、虾青素(Astaxanthin)和辣椒红素(Capsanthin)等呈红色。近年来观赏植物花色相关类胡萝卜素的研究较多，本文就(1)类胡萝卜素对花色呈现的影响，(2)类胡萝卜素生物合成与降解途径及相关基因功能，(3)类胡萝卜素代谢转录调控、表观遗传调控等分子调控三个方面来概述有关观赏植物类胡萝卜素组成及代谢调控的最新研究进展，为进一步研究植物花色提供参考。

　　关键词：观赏植物;花色;类胡萝卜素;代谢;调控

　　植物特定的花色不仅可以吸引昆虫授粉和传播种子，有利于种族的延续，还能降低不良环境的胁迫对自身的伤害，如干旱和紫外辐射等。花色是植物长期进化的结果，是观赏植物最重要的品质性状之一。花色的形成机制十分复杂，是多因子协同作用的结果，其中显色化合物的组成和含量以不同显色物质的时空组合起着决定性作用(Tanakaetal.，2008;Grotewoldetal.，2006)。类胡萝卜素(Carotenoids)是重要的显色化合物之一，不同种类的类胡萝卜素组成及含量使花瓣呈现不同的色彩，赋予植物从黄色到血红色等由浅至深的丰富色彩。

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　　类胡萝卜素是一类脂溶性化合物，存在于光合细菌、某些古细菌和真菌、藻类、植物和动物中。目前已报告约800种天然类胡萝卜素，是自然界中存在最广的色素之一。在植物细胞中，类胡萝卜素主要位于质体，在光合作用过程中的光保护(Frank&Brudvig，2004)以及植物激素脱落酸和独脚金内酯的生物合成中发挥作用(Nambara&Marion，2005)，并使高等植物的花和果实等器官呈现出各种绚丽色彩，从而吸引鸟类和昆虫参与植物授粉和种子传播(Sunetal.，2018)，类胡萝卜素在人类健康和营养中也起着重要作用(Eggersdorfer&Wyss，2018)。

　　1类胡萝卜素影响花色呈现的物质基础

　　1.1类胡萝卜素结构与种类

　　大多数类胡萝卜素是由具有40个碳骨架的个异戊二烯单元组成。它们的结构通常由具有个共轭双键的多烯链和多烯链两端的端基组成(Maokaetal.，2020)。根据多烯链和端基结构的结构特点，类胡萝卜素可分为胡萝卜素类(Carotenes)和叶黄素类(Xanthophylls)两大类。胡萝卜素是碳氢化合物，主要包括α胡萝卜素(αcarotene)、β胡萝卜素(βcarotene)、番茄红素(Lycopene)和八氢番茄红素(Phytoene)等;叶黄素包括新黄质(Neoxanthin)、紫黄质(Violaxanthin)、玉米黄质(Zeaxanthin)和叶黄素(Lutein)等(Rosassaavedra&Stange，2016)。

　　类胡萝卜素多烯链上的共轭双键是主要发色团，使其在自然界中呈现黄色、橙色和红色，参与了许多花卉色彩的形成。类胡萝卜素对花色的影响有多种方式，花中的大多数类胡萝卜素成分是黄色的，如叶黄素、玉米黄质和紫黄质，呈现浅黄色至深黄色，合成后以酯化形式在有色体中积累。也有一些植物的花瓣已经改变了类胡萝卜素生物合成途径，积累与其各自属甚至种相关的独特类胡萝卜素，如虾青素(Astaxanthin)是一种酮式类胡萝卜素，由β类胡萝卜素经酮化形成，可在许多细菌、真菌、藻类中产生，呈现出迷人的橙色到红色(Cunningham&Gantt，2005)。花瓣中的积累的类胡萝卜素通常是全反式的，但一些菊科植物的花瓣含有各种类型的顺式类胡萝卜素(Kishimotoetal.，2005，2007)，很少在其他植物中发现。

　　1.2影响植物不同花色的类胡萝卜素组成

　　1.2.1形成黄色系列花色的类胡萝卜素组成

　　在万寿菊(Tagetesstanda)和菊花(Chrysanthemummorifolium)黄色花瓣中90%以上的类胡萝卜素是叶黄素和叶黄素的前体(β类胡萝卜素和ε类胡萝卜素)(Moehsetal.，2001;Zhangetal.，2020;Kishimotoetal.，2004，2006);在姜花(Hedychiumcoronarium)中，金姜花中以β隐黄质和番茄红素为主而呈橙黄色(孙悦，2020)。

　　香石竹(Dianthuscaryophyllus)花瓣的淡黄色和鹤望兰(Strelitziareginae)萼片的黄色均来自类胡萝卜素(Iijimaetal.，2020;Fanetal.，2020);石斛兰(Dendrobiumnobile)中，花瓣的淡黄色和金黄色主要来自α胡萝卜素及其衍生物，而明亮的黄色主要来自β胡萝卜素及其衍生物(黄昕蕾等，2019);桂花(Osmanthusfragrans)淡黄色品种的花瓣中β胡萝卜素、叶黄素和α胡萝卜素含量较高，而橙红色品种的花瓣主要含有β胡萝卜素和α胡萝卜素(Wangetal.，2018);文心兰(Oncidiumhybridum)的黄色品种‘GowerRamsey’积累了紫黄质、顺式紫黄质和新黄质，而橙色的‘Sunkist’积累大量β胡萝卜素(Chiouetal.，2010);卡特兰(Cattleyahybrida)的橙色花含有β胡萝卜素、γ胡萝卜素、番茄红素、β隐黄质、红黄素以及少量叶黄素，其中γ胡萝卜素的含量最高(Matsui，1994)。

　　油菜(Brassicanapus)的黄色花瓣主要含有β胡萝卜素，金黄色花主要含有番茄红素和叶黄素(Liuetal.，2020)，乳白色花也以番茄红素为主，但其含量较金黄色花显著减少(陈道宗等，2019);宫灯百合(Sandersoniaaurantiaca)的亮橙色是由于玉米黄质和β隐黄质的积累(Nielsenetal.，2013)，柯氏百合(Liliumbrowniivar.colchesteri)的淡黄色和奶油色花中色素主要是叶黄素、玉米黄质和β胡萝卜素(Nguyenetal.，2012);类胡萝卜素含量决定了欧洲报春花(Primulavulgaris)黄色的亮度(Cao&Liang，2008)，在报春花(P.polyantha)的黄色花瓣中检测到的主要类胡萝卜素是(9Z)紫黄质、(all)紫黄质、叶黄素和花黄素(Yamamizoetal.，2011);洋桔梗(Eustomagrandiflorum)主要积累叶黄素、紫黄质和β胡萝卜素而呈黄色(Liuetal.，2013)。

　　1.2.2形成橙色至深红色花色的类胡萝卜素组成

　　一些植物的花瓣积累红色至橙红色的番茄红素、辣椒红素和虾青素色素。例如，金盏菊(Calendulaofficinalis)的橙色花瓣颜色是由于红色顺式类胡萝卜素的积累(Kishimotoetal，2005);辣椒红素(Capsanthin)和辣椒玉红素(apsorubin)是橙色百合‘虎百合’花被中的主要色素(Delietal.，1998;Yamagishietal.，2010;Jeknićetal.，2012)，而少数植物物种可合成虾青素，如菊花品种‘Kastelli’(Parketal.，2015)、夏侧金盏花(Adonisaestivalis)和欧洲侧金盏花(A.annua)(Cunningham&Gantt，2005，2011)的花瓣积累大量虾青素，而导致花瓣呈血红色。蓝眼菊(Osteospermumecklonis)和勋章菊(Gazaniasunshine)的橙色花瓣，积累顺式类胡萝卜素(主要是顺式番茄红素)，顺式番茄红素在其他植物物种的花瓣中也很少发现(Kishimotoetal.，2005，2007)。

　　1.2.3类胡萝卜素和类黄酮

　　花青素组合对花色的影响类胡萝卜素和类黄酮花青素通常同时存在于花瓣中，它们的组合增加了颜色的多样性(Tanakaetal.，2008)。例如，晚香玉(Polianthestuberosa)的花瓣中同时存在花青素和类胡萝卜素使其呈橙色(Huangaetal.，2001);还有红色花青素和类胡萝卜素形成了橙花龙胆(Gentianalutea)的橙色花(Bermanetal.，2016);α胡萝卜素、玉米黄质、紫黄质和γ胡萝卜素为黄色花瓣金银花(Lonicerajaponica)中的主要类胡萝卜素化合物，而天竺葵素有助于其花瓣黄色更加鲜艳(Xiaetal.，2021)。

　　蔷薇(Rosa)‘SunCity’黄色花瓣由黄酮醇和类胡萝卜素的组成，主要是山奈酚葡萄糖苷、山奈酚鼠李糖苷和紫黄质(Wanetal.，2018);金山茶(Camellianitidissima)花中的主要色素是类胡萝卜素和黄酮醇苷(Zhouetal.，2017);花青素、黄酮和类胡萝卜素致使荷兰鸢尾(Dutchiris)‘虎眼’的灰紫色形成(Mizunoetal.，2015);花色素苷和类胡萝卜素的组合决定了蝴蝶兰(Phalaenopsisaphrodite)花色的形成(Yangetal.，2014);矢车菊素β芸香糖苷、辣椒红素、八氢番茄红素、玉米黄质和β胡萝卜素是影响百合花色的主要色素成分，在花被片不同区域的差异积累是双色百合形成的主要原因(王欢等，2021)。

　　1.2.4白色或浅黄色花色呈现与类胡萝卜素降解

　　类胡萝卜素的积累对花色的影响十分重要，而其降解对于花色也有极大的贡献。类胡萝卜素在类胡萝卜素裂解双加氧酶(CCDs)作用下降解为无色化合物而呈现白色。研究表明在白色的菊花、百合、桂花、香雪兰(Freesiarefracta)、水仙(Narcissuspseudonarcissus)‘SlimWhitman’和矮牵牛(Petunia × hybrida)中，所有的类胡萝卜素合成相关结构基因都在类胡萝卜素合成过程中表达，然而，合成的类胡萝卜素迅速被高水平的CCD4降解，从而导致了白色花瓣(Ohmiyaetal.，2006;Nguyenetal.，2012;Wang&Yamagishi，2019;房强，2020;Lietal.，2018;Kishimotoetal.，2018;Phadungsawatetal.，2020)。

　　2类胡萝卜素的生物合成与降解及相关结构基因的功能

　　2.1类胡萝卜素生物合成途径及相关结构基因的功能

　　类胡萝卜素生物合成途径在大多数植物物种中高度保守。类胡萝卜素是通过核基因编码的酶在质体内合成的，但在雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)中发现一个特例，酮式类胡萝卜素虾青素合成的最后一步发生在细胞质脂质囊泡中(Grünewaldetal.，2001)。类胡萝卜素主要是C40类异戊二烯，与自然界中存在的所有其他类异戊二烯一样，其的生物合成始于质体甲基赤藓糖醇磷酸酯(MEP)途径生成的碳结构单元异戊烯焦磷酸(PP)及其烯丙基异构体二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)。

　　将个IPP分子添加到DMAPP上，由牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPPS)催化缩合形成C20的香叶基香叶基焦磷酸(GGPP)(Eisenreichetal.，2001;Hunteretal.，2007;Cunningham&Gantt，1998;Hirschbergetal.，2001;Tanaka&Ohmiya，2008;Lu&Li，2008)。两个GGPP分子由八氢番茄红素合酶(PSY)缩合产生C40八氢番茄红素是类胡萝卜素生物合成途径中的第一个关键步骤，在许多植物中PSY是类胡萝卜素生物合成的限速酶(Cazzonellietal.，2010)。八氢番茄红素被八氢番茄红素去饱和酶(PDS)、15顺式ζ胡萝卜素异构酶(ISO)、ζ胡萝卜素去饱和酶(ZDS)和胡萝卜素异构酶(CRTISO)去饱和成全反式番茄红素，是使花瓣呈红色的物质之一。

　　番茄红素是该途径的关键分支点(Sathasivametal.，2020)，可通过番茄红素ɛ环化酶(LCYE)和番茄红素β环化酶(LCYB)环化产生δ胡萝卜素和α胡萝卜素，也可通过番茄红素β环化酶(LCYB)产生γ胡萝卜素和β胡萝卜素(Jiaetal.，2021)。在α分支，α胡萝卜素通过由ε胡萝卜素羟化酶(ECH)和β胡萝卜素羟化酶(BCH)催化的两种不同的酶促反应生成叶黄素。在β分支，BCH催化两个羟基化反应，通过β隐黄质将β胡萝卜素转化为玉米黄质。随后，玉米黄质环氧化酶(ZEP)催化玉米黄质合成花药黄素和紫黄质，二者可以通过紫黄质去环氧化酶(VDE)转化回玉米黄质(Hirschbergetal.，2001)，新黄质合成酶(NXS)催化紫黄质转化为新黄质。新黄质的合成是经典类胡萝卜素生物合成途径的最后一步。

　　类胡萝卜素的生物合成调控首先第一个就是PSY，即类胡萝卜素生物合成途径的限速酶。多个PSY共同调节类胡萝卜素的代谢通量，因此PSY基因也成为植物类胡萝卜素基因工程改良花色的首选基因(Shan&Li，2008)。例如，加州罂粟(Eschscholziacalifornica)以其鲜艳的金橙色花朵而闻名，其白色花瓣品种中PSY基因有一个单碱基缺失，导致了PSY的剪接改变和端截断，从而不能合成类胡萝卜素(Andrewetal.，2019)。

　　LCYE是控制类胡萝卜素代谢的关键基因，其高表达常导致类胡萝卜素代谢途径以α分支为主。例如在桂花品种‘金桂’中LCYE的表达是比在其他颜色品种更高，导致大量的α分支叶黄素的积累(Hanetal.，2014)。在香石竹花瓣中编码PSY和LCY的基因表达较低，且未检测到编码CCD4的基因的表达，从而得出香石竹花瓣类胡萝卜素含量低的原因不是酶促降解，而是类胡萝卜素生物合成少(Ohmiyaetal.，2013);利用类胡萝卜素合成基因改良花卉颜色的相关研究较少，主要是在菊花、文心兰、百脉根(Lotusjaponicus)和鸢尾中(Jeknićetal.，2014;Ohmiyaetal.，2006，2009;Suzukietal.，2007)。

　　通过RNA干扰(RNAi)PSY以减少文心兰花组织中的类胡萝卜素含量，从而产生白色花瓣文心兰新品种‘白玉’(Liuetal.，2019);通过RNAi使BCHA2和BCHB2下调使文心兰花的颜色从亮黄色变为浅黄色和白黄色(Wangetal.，2016);PSY基因CrtB在德国鸢尾中的过表达，花瓣中积累了番茄红素，颜色由黄色变为粉橙色(Jeknićetal.，2014)。

　　BCH基因CrtW在百脉根中过表达，花瓣积累了红色酮类胡萝卜素，颜色由黄色变为红色(Suzukietal.，2007);从雨生红球藻中克隆的β加氧酶基因CrtO是酮式类胡萝卜素合成的关键酶(Lotanetal.，1995)，在烟草中表达CrtO使其花朵的蜜腺组织的有色体中积累了高浓度的酮式类胡萝卜素，包括虾青素，从而使花朵颜色从黄色变为红色(Mannetal.，2000);在橙花虎眼万年青(Ornithogalumdubium)中，也发现LCYB基因是可用于CRISPR/Cas9系统来创造红花品种的关键基因(Weietal.，2020)。

　　2.2类胡萝卜素的降解途径及相关结构基因的功能

　　类胡萝卜素的积累还取决于其降解酶活性的高低。类胡萝卜素裂解双加氧酶(CCD)家族催化类胡萝卜素的氧化裂解(Auldridgeetal.，2006)，鉴定出的第一个CCD是顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)，CCD裂解β分支的类胡萝卜素产生无色化合物紫罗兰酮(ionone)，再逐步生成如橙花醛等挥发物以及独脚金内酯和脱落酸等植物激素(Nisaretal，2015)。

　　CCD在白色花瓣的形成中起关键作用(Jiaetal.，2021;Zhangetal.，2015;Iijimaetal.，2020)。人们发现白色菊花的形成源于类胡萝卜素裂解基因CmCCD4a的表达，而在黄色菊花中，由于该基因的DNA序列发生缺失，导致无法转录，从而花瓣积累了大量的类胡萝卜素(Ohmiyaetal.，2006);在桂花中，当OfPSY转录本不变时，‘丹桂’仍可以积累类胡萝卜素，而‘银桂’花瓣中OfCCD4的转录本明显高于‘丹桂’，且紫罗兰酮含量远高于‘丹桂’(Hanetal.，2013)，验证了CCD4是形成白色的关键基因。

　　在植物中应用分子技术(如CRISPR/Cas9或RNAi)利用类胡萝卜素降解途径相关基因进行花色改良的研究较少。在菊花和水仙中，通过RNAi干扰编码CmCCD4a、NpCCD基因的表达导致类胡萝卜素积累的显着增加，花瓣颜色从白色变为黄色(Ohmiyaetal.，2009;Lietal.，2018);在牵牛花(Ipomoeanil)中，通过CRISPR/Cas9系统成功敲除nCCD4，白色花瓣变成淡黄色，与野生型相比，ccd4植株花瓣中类胡萝卜素的总量增加了20倍(Watanabeetal.，2018)。

　　3类胡萝卜素代谢的分子调控

　　植物花瓣中，总类胡萝卜素积累水平可以通过类胡萝卜素生物合成和降解之间的平衡来确定(Liuetal.，2013)，有色体发育也同样影响类胡萝卜素的积累(陆晨飞等，2017)。

　　植物细胞中的类胡萝卜素由一系列结构基因所编码的酶催化合成，且其在质体中的积累还受到类胡萝卜素降解酶及存储相关蛋白的影响(Ohmiyaetal.，2013)，而这一系列的结构基因又被许多转录因子直接或间接的调控。类胡萝卜素积累除了受结构基因的控制外，还受几个不同家族转录因子的调控，包括R2R3MYB、MADSbox、NAC、bHLH、SBPbox、AP2/ERF、HDZIP、NF和WRKY家族等，其中影响花色呈现的转录因子主要是R2R3MYB、bHLH、AP2/ERF和WRKY家族(Stanley&Yuan，2019)。

　　RCP1(R2R3MYB)的功能丧失突变导致所有类胡萝卜素生物合成基因的下调，RCP1能激活类胡萝卜素的生物合成并抑制花青素的产生(Sagawaetal，2016);CrMYB68负调控CrBCH2和CrNCED5表达并直接调节α分支和β分支类胡萝卜素的转化(Zhuetal.2017a，);在烟草中，通过RNAi敲掉MYB305导致β胡萝卜素水平降低(Liu&Thornburg，2012)。在非洲菊中，GhMYB3、GhMYB7、GhMYB8可与GhPSY的启动子结合，正向调控类胡萝卜素的生物合成，沉默GhPSY、GhMYB3和GhMYB7会减少类胡萝卜素的合成，并且沉默GhMYB3舌状花基部无法完成花色转变，依旧为蕾期时的绿色(钟心珂，2020)。bHLH转录因子家族PIF1通过直接于PSY启动子的Box元件结合，抑制PSY的转录，降低类胡萝卜素的含量(ToledoOrtizetal.，2014)。

　　从蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)中鉴定出来的WHITEPETAL1(WP1)，激活一个亚组的R2R3MYB(Mengetal.，2019)，从而调控类胡萝卜素生物合成基因的表达，积累类胡萝卜素。APETALA2(AP2)转录因子家族的成员AtRAP2.2与PSY启动子的一个主要调节区结合，并显示出适度下调PSY和PDS的转录水平，以及拟南芥中的类胡萝卜素含量(Welschetal.，2007)。桂花中OfWRKY3编码OfCCD4的正调节因子，促进类胡萝卜素的降解而呈下白色，其在白花桂花品种‘紫银桂’的整个开花过程都强烈表达，而在橙红色花瓣的‘城红丹桂’中几乎不表达(Hanetal.，2016)。

　　虽然目前对类胡萝卜素的代谢调控研究主要集中在转录调控，但在表观遗传调控方面也有一些报道，其调控主要是通过DNA的甲基化以及组蛋白的修饰来完成。文心兰白色突变体WhiteJadet，是由自然突变而使OgCCD1启动子的甲基化引起的，从而形成白色花瓣(Chiouetal.，2010)。对‘紫银桂’和‘城红丹桂’OfCCD4启动子区甲基化分析表明，‘城红丹桂’甲基化率为50.18%，高于‘紫银桂’的43.87%，表明桂花不同品种的类胡萝卜素含量的差异可能与类胡萝卜素降解相关基因的甲基化差异有关(Hanetal，2014)。

　　4展望

　　植物类胡萝卜素合成途径已经研究较为透彻，为相关花色研究提供了理论指导，且在花色育种中也有应用。如在菊花、文心兰等花卉中利用CRISPR/Cas9或RNAi等分子育种手段进行花色改良，育出‘白玉’等新品种。其次，类胡萝卜素的代谢调控也有一些研究，但主要着重于转录调控，其它调控研究，如甲基化和反馈调控等较少。此外，类胡萝卜素在影响花色的方面，大部分着重在其物质基础上，即特定组分对花色的影响，但在许多花瓣中类胡萝卜素和类黄酮花青素是同时存在的，且均对花色做出贡献，但其具体形成机制尚不明确，这也是未来的研究方向之一。相信随着科学技术的发展和研究的日渐深入，将正向遗传学(如QTL定位、基因组关联分析)与反向遗传学等方法技术相结合应用，将会对以上问题做出清晰的解答，进而完善类胡萝卜素对花色的贡献。

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　　作者：何静娟，范燕萍

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