收稿 2003 01 06 修定 2003 09 05 资助 国家重点基础研究发展规划项目 G1999011700 通讯作者 E mail zhaokefu 263 net T el 0531 6182568 叶片中的花色素苷及其对植物适应环境的意义 孙明霞 王宝增 范 海 赵可夫 山东师范大学生命科学学院 盐生植物工程技术研究中心 济南 250014 Anthocyanins of Leaves and Their Enviromental Significance in Plant Stress Re sponses SUN Ming Xia WANG Bao Zeng FAN Hai ZHAO Ke Fu Institute of Plant Stress Life Science School Shandong Nor mal University Jinan 250014 提要 简要介绍了花色素苷的化学组成 生物合成过程和其生物合成的诱导因子 以及花色素苷对植物适应环境的意义 关键词 花色素苷 诱导 UV B 许多温带植物的叶片秋季会变成红色 形成各 个地方的一个景观 吸引众多游人的兴趣 叶片为 什么在秋季变红 变红的物质基础是什么 促进 叶片变红的条件是什么 变红的生物学意义是什 么 这些问题早在 80 年以前就引起生物学家的注 意 并广泛进行了研究 1 较早的解释认为 正常 的叶片中含有多种色素 如叶绿素 类胡萝卜素 叶 黄素 花色素等 秋天天气变冷 叶片中的叶绿素 大量分解 类胡萝卜素 叶黄素 花色素等即暴露出 来 所以叶片由绿色变成红色 橘红色或橘黄色 等 2 近年的研究认为 秋季叶片变红是重新合 成大量花色素苷的结果 花色素苷通常呈红色 紫 红色和蓝色 入秋以后 叶片中花色素苷大量合成 的时间实际上在叶绿素分解之前 秋季的寒冷和干 旱更加促进花色素苷的合成 3 花色素苷不仅存在于植物衰老的叶片中 而 且广泛存在于五颜六色的花朵和其它部分 如植物 的果实 茎 幼苗甚至于根中 主要分布于表皮细 胞中 4 花色素苷在被子植物中普遍存在 也存 在于苔类植物 藻类和一些低等植物中 但在裸子 植物中很少发现 5 本文主要介绍花色素苷的化 学组成 特性和生物合成 促进植物花色素苷生物 合成的因素以及花色素苷的适应意义的研究进展 1 花色素苷的化学组成 特性和生物合成 1 1 化学组成 花色素苷 anthocyanin 是一类类 黄酮 flavonoid 化合 物 由 15 个 C 构成 两个 环 A 环和 B 环 图 1 在 B 环第 3 个 C 或 A 环第5个C上的羟基处联结1个或2个糖分子 葡 图 1 花色素的基本结构 萄糖 半乳糖或鼠李糖 如果将羟基上糖分子去 除 就成为花色素 anthocyanidin B 环上的第 3 4 和 5 C 上可以形成羟基或甲基 图 2 即产 生不同种类的花色素苷和花色素 6 花色素的命 名 是根据最初从某一种植物提取出来的花色素的 植物种名的字首几个字母而来的 如矢车菊花色素 cyanidin 最初是从矢车菊 Centaurea cyanus 中 提取得到的 根据 B 环的变化可以分成 6 种花色 素 如果再根据第 3 个 C 或第 5 个 C 上的羟基与 不同糖形成的糖苷 花色素苷的种类就更多了 6 花色素苷的颜色首先取决于 B 环上的替代基 团 当甲基取代时产生变红的效应 花色素苷与黄 酮醇或黄酮结合 产生蓝色效应 另外 不同花色 素苷彼此相联 产生深红色或蓝色效应 颜色的变 化取决于液泡中积累的花色素苷的种类和 pH 多 数花色素苷在酸性溶液中呈红色 pH 上升时呈紫 红色或蓝色 6 所以 秋季叶片和花朵的颜色千 变万化 五彩缤纷 688 植物生理学通讯 第 39 卷 第 6 期 2003 年 12 月 图 2 羟基化和甲基化花色素 1 2 花色素苷的生物合成 花色素苷的生物合成 途径已基本明确 7 合成前体是丙二酸单酰 CoA 和4 羟基苯丙烯酸 CoA 先在苯基苯乙烯酮合成 酶 chalcone synthase CHS 作用下合成为 4 2 4 6 四羟基苯基苯乙烯酮 再在苯基苯乙烯酮异 构酶 chalcone isomerase CHI 作用下形成 5 7 4 三羟基苯基苯乙烯酮 在苯基苯乙烯酮 3 羟化 酶作用下形成二氢 堪非醇 又名二氢黄酮醇 然 后在二氢黄酮醇 4 还原酶作用下 生成无色花色 素 无色花色素在无色花色素二氢生成酶作用下 生成 3 羟 花 色 素 最 终 在 O 甲 基 转 移 酶 OMT UDPG 类黄酮葡糖转移酶 UFGT 和鼠 李糖转移酶 RT 共同作用下 生成最终产物花色 素苷 图 3 2 诱导花色素苷生物合成的因子 2 1 光诱导 花色素苷诱导因素的研究多集中于 紫外光 UV 可见光和远红外光对花色素苷生物 合成的诱导 在 UV B 范围的许多射线可能通过 损伤 DNA 而抑制花色素苷的合成 黑暗可抑制花 色素苷的合成 这进一步证明了光促进论点的重要 性 8 虽然花色素苷的光诱导在实验室和大田中已 得到证实 但真正的光受体尚未确定 早期 Lin doo 和 Caldwell 9 推论 远红外光和 UV B 在巴天 酸模 Rumex patientia 的花色素苷合成中是独立 作用的 后来在对多种植物和不同组织的研究中 出现 了两种认识 一种认为花色素苷的生物合成是由 UV B 光受体诱导的 10 另一种认为是由 UV B 光受体 光敏色素和延龄草色素 cryptochrome 共 同诱导的 11 Brandt 等 12 的工作为前者提供了 一些有利证据 他们发现番茄的光敏色素缺失突变 体经 UV B 照射能积累花色素苷 另外 在不照射 UV B 的实验中 Krizek 等 10 发现红叶莴苣的类 黄酮和花色素苷含量显著降低 Ambasht 和 A grawal 13 的研究中 大田生长的玉米照射 UV B 以 后积累花色素苷 相反 Beggs 和 Wellman 14 发现 在远红外光 UV B 甚至完全无光的条件下玉米也 能合成花色素苷 近来 Mol 等 15 提出 光敏素参与花色素苷的 生物合成 同时另一种光受体也与之有关 他们进 一步提出存在两种独立的 分别控制的花色素苷合 成途径 最合理的假说可能是 UV B 是花色素苷 生物合成的唯一诱导因子 而各种花色素苷的相对 含量受光敏素的调控 这个假说能够说明已发表 的大量资料 另外 花色素苷的诱导还可能与植物 的发育阶段或环境 如温度 有关 2 2 低温诱导 尽管植物叶片在秋季变红为低温 诱导花色素苷的合成提供了不少有力证据 然而低 温诱导远不如光诱导那样引起人们的注意 已经 证实 低温可以诱导一些植物体内花色素苷的合 成 如拟南芥 16 玉米 17 高粱幼苗 11 黄栌属 Cotinus 植物 18 松叶 19 以及山毛榉射线薄壁组 织 ray parenchyma 细胞 20 等 Christie 等 17 认 为花色素苷合成途径与冷调节 cor cold regula tion 基因有关 过低的低温破坏花色素苷的合成 McKown 等 21 认为花色素苷的生物合成与抗冻性 有一些共同点 或者彼此的形成途径相同 或者调 节途径相同 但应当指出的是 没有可见光或 UV B照射的低温条件下 花色素苷的合成同样会 受到抑制 这说明花色素苷低温诱导与光诱导机制 之间的关系还未彻底弄清 尚待进一步研究 Mol 等 15 认为二者可能是两个独立过程 或者是一种 相互叠加反应过程 2 3 渗透诱导 近来发现渗透胁迫也可诱导花色 素苷的合成 植物细胞培养发现 一定浓度的葡萄 糖 蔗糖和甘露醇的渗透胁迫均可以促进花色素苷 的积累 22 低水平的渗透胁迫能诱导不含花色素 苷的矮牵牛属植物产生花色素苷 整体植物的实 验也得出类似的结果 玉米根 桑树叶片及木麻黄 幼苗的茎下段在盐诱导下都可积累花色素苷 拟 南芥 榄仁树 洋常春藤在各种糖处理下 也能在叶 片中积累花色素苷 689 植物生理学通讯 第 39 卷 第 6 期 2003 年 12 月 图 3 花色素苷的生物合成途径 7 显然 增加渗透剂浓度可以导致植物细胞脱水 胁迫 产生旱害 干旱胁迫能明显增加豇豆幼苗 复苏植物和黄栌叶中的花色素苷含量 23 另外 被水淹的苹果 梨的叶中花色素苷的含量也增 加 24 这可能是由于根的功能受到抑制 叶片中 产生缺水胁迫的结果 2 4 其它诱导因子 除上述因子外 其它一些内 在的和外界环境的因子也与植物花色素苷的诱导 积累和抑制有关 15 例如缺氮 缺磷或二者同时 缺少均可以导致花色素苷增加 25 低 pH 甲基茉 莉酸 病原体感染及真菌诱变也会导致上述结 果 26 然而 Gl gen 等 27 发现真菌诱变剂会抑 制花色素苷的产生 各种除草剂处理植物幼苗出 现不同的结果 甲草胺处理可增加花色素苷含量 而用氟乐灵或伏草隆处理均抑制花色素苷的积 累 28 目前有关外源生长调节剂对植物花色素苷合 成的作用尚没有统一的认识 在细胞培养和在整 体植株的实验中发现生长素和细胞分裂素都能诱 导花色素苷的合成 24 而在另外的一些实验中发 690 植物生理学通讯 第 39 卷 第 6 期 2003 年 12 月 现花色 素苷 的合 成 与赤 霉素 有关 15 然而 Ronchi 等 29 认为赤霉素能抑制玉米中花色素苷的 积累 有人认为 ABA 抑制花色素苷的积累 15 而 Fambrini 等 30 则认为缺乏 ABA 会阻止花色素苷 的合成 3 花色素苷对植物适应环境的意义 3 1 提高光保护能力 1984 年 Drumm Her rel 31 提出花色素苷能减轻光损伤的程度 特别是 减轻高能量蓝光对发育中的原叶绿素的损伤 还 有人 提 出 在 生 长 1 个 月 的 矮 叶 松 Pinus banksiana 幼苗 几种雨林树种的幼叶以及常绿植 物十大功劳属 Mahonia 荚莲属 Viburnum 和 杜鹃花属 Rododendron 植物中 花色素苷也有类 似的保护作用 32 花色素苷对紫外线的强效应波 UV B 280 320 nm 的射线损伤是否起同样的保护作用还有 疑议 大量研究表明 UV B 射线对植物的生产能 力有明显的反作用 特别是对敏感的农作物 33 相反 一些抗性或耐性强的植物通过光损伤修复或 减弱辐射强度可以适应 UV B 胁迫 减弱辐射强 度的措施有角质层和细胞壁增厚 细胞壁树脂中掺 入木质素以及增加短柔毛等 34 但据 Beggs 和 Wellman 14 的观察 花色素苷对 UV B 射线区域吸 收并不理想 他们没有找到证明花色素苷能保护植 物免受 UV B 损伤的证据 但有一些人肯定了这 种估计 认为花色素苷相对其它可吸收 UV B 的复 合物来说 通常以较低的浓度存在 并且需要经 UV B 辐射较长时间才可以合成 12 尽管如此 仍有证据表明在一些情况下花色素 苷确实可以防止 UV B 损伤 在矢车菊 Centau rea cyanus 细胞培养中能明显看到花色素苷抑制 UV B 诱导的 DNA 损伤 35 Hada 等 36 以 UV B 照射二色高梁 Sorghum bicolor 幼苗 其花色素苷 含量降低且 DNA 损伤加剧 而且 拟南芥和玉米 的类黄酮缺失突变体都表现出对 UV B 的高度敏 感 37 Gitz 等 38 提出用苯丙氨酸解氨酶 PAL 抑制剂处理的红色甘蓝比不加抑制剂的更易受到 UV B 损伤 PAL 受到抑制后 除了降低花色素苷 的积累外 还会导致其它可吸收 UV B 的酚类物质 和类黄酮的相应减少 总结这些实验结果时 了解不同共价修饰的花 色素苷的吸收差异非常重要 Tevini 等 39 提出经 苯丙烯酸脂化的花色素苷确实能吸收 UV B 辐射 同样 Woodall 和 Stewart 40 提出经酚类物质 如苯 丙烯酸 酰化的花色素苷能吸收