花色苷植物顏色影響因素

1、花色苷植物顏色影響因素     本文作者:支偉特 趙昶靈 陳中堅(jiān) 繆康汝 陳文龍 毛樂心  單位：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院 文山縣苗鄉(xiāng)三七實(shí)業(yè)有限公司 高等植物根、葉、莖、花和果等器官的顏色主要為綠、紅、紫、藍(lán)和黃，綠色來自葉綠素，紅、紫和藍(lán)色來自花色苷、類胡蘿卜素或甜菜素，黃色來自類胡蘿卜素。其中，作為植物次生產(chǎn)物黃酮類化合物之一的花色苷分布于27科72屬植物中1，現(xiàn)已被確認(rèn)的花色苷有630余種2，使植物器官的顏色表現(xiàn)最為豐富，即由粉紅至深紅、藍(lán)、紫或無色等。但迄今為止，花色苷決定植物器官顏色的機(jī)理尚未有系統(tǒng)總結(jié)。本文綜述了花色苷決定植

2、物器官顏色呈現(xiàn)的內(nèi)涵及其影響因素，為植物器官顏色機(jī)理的探索和人工改良研究提供參考。1花色苷賦予植物器官顏色的基礎(chǔ)11花色苷呈色的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)花色苷由花色素和糖經(jīng)糖苷鍵縮合而成。花色素是2-苯基苯并吡喃陽離子或黃烊鹽的多羥基和甲氧基衍生物。植物器官的主要花色素有6種(圖1)，結(jié)構(gòu)中均有A、B和C3個環(huán)，除B環(huán)外其它結(jié)構(gòu)基本相同，均具黃烊鹽離子(3,5,7-三羥基-2-苯基苯并芘)基本結(jié)構(gòu)，1位氧原子因與2位碳原子以共價鍵結(jié)合而帶正電荷、以氧烊鹽形式存在3;黃烊鹽陽離子缺電子使游離花色素很不穩(wěn)定、不易在植物體內(nèi)積累4，花色素經(jīng)不同糖基化和?；揎椇笮纬筛€(wěn)定的花色苷2,5?；ㄉ乇旧硪蚰軌蛭?00

3、nm左右的光而呈現(xiàn)特定顏色，成為花色苷的“發(fā)色團(tuán)”，這決定了花色苷能導(dǎo)致植物器官呈色(表1)6。矢車菊色素呈紫紅色,翠雀素呈藍(lán)紫色,天竺葵色素呈磚紅色，它們在自然界中的分布最廣，存在于80%的葉、69%的果及50%的花中。3種花色素進(jìn)一步衍生出其他3種花色素:翠雀素甲基化形成紫紅色的錦葵色素，矢車菊色素甲基化形成紫紅色的芍藥色素，翠雀素甲基化形成藍(lán)紫色的矮牽牛色素67。因此，花色苷使植物器官呈現(xiàn)出眾多的色彩，如落葉樹秋季葉片呈現(xiàn)亮紅、藍(lán)和紫等各種顏色。12花色苷的亞細(xì)胞分布在莖、葉、花和果等器官中，花色苷主要存在外層細(xì)胞，如表皮和周緣葉肉細(xì)胞2。在細(xì)胞中，花色苷定位于液泡，這決定于花色苷生物合

4、成和積累須經(jīng)歷的亞細(xì)胞空間位點(diǎn)變化，花色苷在細(xì)胞質(zhì)中合成，相關(guān)的酶與膜結(jié)合成多酶復(fù)合體，具體的合成位點(diǎn)可能在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，花色苷合成后再轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中儲存并發(fā)揮作用8。13花色苷的非均一性分布不論是種類還是含量，花色苷在植物器官中的分布都是不均一的?；ㄉ找话惴e累于暴露在直射光的周緣組織中，典型的為上表皮9。植物營養(yǎng)器官中分布的花色苷主要為結(jié)構(gòu)較簡單的紅色矢車菊色素苷，而生殖器官中的花色苷在結(jié)構(gòu)上比營養(yǎng)器官中的更復(fù)雜10。對葉片來說，花色苷常在近軸面含量高、在遠(yuǎn)軸面含量低，這可能與花色苷的光保護(hù)作用有直接關(guān)系，因遠(yuǎn)軸面比近軸面對光更敏感11。花色苷在植物器官中的分布取決于其調(diào)節(jié)基因的專一性表達(dá)

5、，調(diào)節(jié)基因控制著花色苷合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因?qū)Νh(huán)境與發(fā)育信號的響應(yīng)12?；ㄉ蘸铣墒且粋€細(xì)胞自主的反應(yīng)，故植物器官顏色是在單個細(xì)胞水平上受到調(diào)控，這導(dǎo)致花色苷在器官中的局部積累1314;同時，細(xì)胞響應(yīng)刺激的不均一性也導(dǎo)致器官水平上的著色隨刺激強(qiáng)度的增加而逐漸增加13。2花色苷與植物器官顏色變化的關(guān)系21花色苷的分子結(jié)構(gòu)差異花色苷單體結(jié)構(gòu)花色苷單體的分子結(jié)構(gòu)差異涉及4方面，這些差異均能導(dǎo)致花色苷顏色變化。(1)糖基化多樣性?；ㄉ夭煌潭鹊奶腔〈磻?yīng)一般在3,5,7,3',4',5'位發(fā)生15;單糖苷幾乎均是C3位連接糖基，二糖苷則均連接在C3上或C3、C5各1個，三糖苷一般

6、為2個糖基連接在C3位，1個在C5位或3個都在C3位16;C3位糖基對花色素的穩(wěn)定性最重要，它能抑制花色素的迅速降解17。糖基化還使花色苷產(chǎn)生藍(lán)移效應(yīng)，A環(huán)的糖基數(shù)越多，藍(lán)色色調(diào)就越深16。(2)羥基化多樣性。花色苷C3、C5和C7均可發(fā)生羥基化;一般來說，A、C環(huán)羥基化可使花色苷穩(wěn)定性降低，發(fā)生藍(lán)移;C3位羥基化使花色苷呈現(xiàn)黃-橙-紅等不同顏色，C3羥基化一般使花色苷呈紅色，脫氧時則呈黃色18;C4、C5羥基化可使花色苷較穩(wěn)定，C4位羥基化一般使花色苷呈黃色16。(3)甲基化多樣性?；ㄉ占谆话惆l(fā)生在C3和C5位，可能阻止花色苷水解產(chǎn)生無色假堿而使花色苷穩(wěn)定性加強(qiáng)且多呈黃色，B環(huán)甲基化會

7、產(chǎn)生紅移效應(yīng)1920。(4)?；鄻有??；ㄉ挣；腔谄涮腔A(chǔ)上的，可使花色苷穩(wěn)定性有一定程度提高，帶芳香?；幕ㄉ毡葞е；姆€(wěn)定，多酰化花色苷比單?；姆€(wěn)定，芳香?；话闶够ㄉ瞻l(fā)生藍(lán)移，但脂?；瘞缀醪皇够ㄉ瞻l(fā)生顏色變化16?；ㄉ站酆象w結(jié)構(gòu)在液泡水相環(huán)境中，花色苷一般以聚合體的形式存在，從而導(dǎo)致植物器官顏色的多樣化?；ㄉ盏木酆贤ㄟ^3種機(jī)制實(shí)現(xiàn):(1)自聚。當(dāng)花色苷達(dá)一定濃度時，具C4羥基和C5糖基的花色苷可以甲醇假堿或醌型堿形式聚合，使顏色加深，如葡萄酒中的花色苷能自聚而使酒色呈棕紅，穩(wěn)定性增強(qiáng)16。(2)分子內(nèi)共色?；ㄉ辗肿觾?nèi)共色是依靠花色苷的糖基與酚酸殘基間的共價鍵

8、實(shí)現(xiàn)21;雙?；ㄉ湛尚纬扇纭叭髦巍卑憬Y(jié)構(gòu)，將花色苷母核夾在2個有機(jī)酸中間保護(hù)起來，單?；ㄉ談t只能保護(hù)一側(cè)，這可提高花色苷色澤的穩(wěn)定性(圖2)6,16。(3)分子間共色?；ㄉ辗肿娱g共色是通過與無色的輔色素(主要為黃酮類或其他多酚類化合物)發(fā)生互作，輔色素能與花色苷形成層狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生疏水力，避免了花色苷的水化反應(yīng)，從而大大提高其穩(wěn)定性、產(chǎn)生明顯紅移，也使花色苷顏色變深;此外，?；ㄉ张c輔色素還能通過分子間輔助著色即形成穩(wěn)定絡(luò)合物而形成“復(fù)合花色苷”，增強(qiáng)花色苷的穩(wěn)定性和色澤，“復(fù)合花色苷”的形成常包含鎂、錳、鋅、鎘、鎳、鉬、銅、鐵和鋁等金屬離子參與的螯合反應(yīng)16,2224，如蕓苔屬(

9、Brassica)植物中，鉬與鎢能和花色苷形成藍(lán)色絡(luò)合物存在于液泡2526，但是，鐵、銅等對花色苷也有降解作用，可能是因它們在增色同時形成的金屬-單寧絡(luò)合物可導(dǎo)致花色苷褪色2729。22生長發(fā)育階段對花色苷的影響植物器官合成花色苷的強(qiáng)度與其生長發(fā)育階段密切相關(guān)。一般來說，在發(fā)育初期及衰老階段的器官中，花色苷的合成較旺盛，如大量植物的幼葉因花色苷合成而呈紅色，之后紅色逐漸褪去3031;秋天紅葉也是花色苷合成加強(qiáng)的結(jié)果32，該現(xiàn)象與光合色素的光抑制和光漂白相關(guān)，新生葉、伸展葉和衰老葉與發(fā)育成熟的未衰老葉相比對光抑制和光漂白更敏感，需要花色苷起“遮光板”的光保護(hù)作用3133。23影響花色苷呈色的理化

10、因素2.3.1物理因素溫度一方面，低溫可促進(jìn)植物器官花色苷的積累、顏色加深，這和開始衰老器官的營養(yǎng)回收及碳水化合物積累密切相關(guān)34，低溫也可使花色苷更穩(wěn)定35;另一方面，高溫盡管可能抑制花色苷的酶降解作用3637，但卻會大大妨礙花色苷在細(xì)胞中的積累。這有三方面的原因:一是高溫使花色苷發(fā)生熱降解，分解產(chǎn)物呈現(xiàn)赤褐色38，這可能與花色苷C3位糖苷結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)39，高溫可使花色苷去糖基化、裂解成酚酸和酚醛40;二是高溫導(dǎo)致水相環(huán)境中花色苷的4種互變結(jié)構(gòu)間的平衡傾向于形成不穩(wěn)定的查耳酮假堿結(jié)構(gòu)(圖3)41;三是高溫導(dǎo)致花色苷合成的基因，如苯丙氨酸解氨酶基因、查耳酮合酶基因、查耳酮異構(gòu)酶基因、二氫黃酮

11、醇還原酶基因的表達(dá)受到抑制，故花色苷合成速率降低，植物器官顏色變淺23,42。光光在強(qiáng)度、質(zhì)量和時間3方面均制約花色苷積累。一般來說，較低光強(qiáng)時花色苷的積累量隨光強(qiáng)的增加而增加，如長時間處于弱光下的紫葉李(Prunuscerasifera)在全光照下時，葉片花色苷含量劇增43;紫葉小檗(Berberisthunbergii)葉在全光照下為深紅色，隨光強(qiáng)降低因花色苷含量減少而逐漸變淺44。但是，光強(qiáng)過強(qiáng)會導(dǎo)致花色苷降解，強(qiáng)光使某些花色苷降解成具C4羥基的中間產(chǎn)物，該產(chǎn)物在C2位上水解開環(huán)生成查耳酮，然后快速降解成苯甲酸及2,4,6-三羥基苯甲醛等產(chǎn)物45。藍(lán)光、紫外光(UV)是促進(jìn)花色苷合成的最

12、有效光46，紅光對花色苷積累也有促進(jìn)作用47。UV-A和UV-B可促進(jìn)花色苷積累，使器官顏色加深4849，這與UV能激活花色苷合成的相關(guān)基因，如苯丙氨酸解氨酶、查耳酮合酶等基因的表達(dá)相關(guān)50。光照時間影響花色苷的積累，既與光周期相關(guān)又與特定光的照射時間長短相關(guān)，如光照時間超過12h，紫葉李、紫葉矮櫻(Prunus×Cistena)等的葉色更加鮮艷51，UV短期照射能加強(qiáng)刺葡萄(Vitisdavidii)果實(shí)的色澤，長期照射卻使其花色苷降解加速、色澤變淡52，長期UV照射可能會破壞花色苷的共軛鍵，導(dǎo)致其發(fā)生光降解53。水分供應(yīng)狀態(tài)水分供應(yīng)狀態(tài)可能在3方面制約細(xì)胞的花色苷積累量?；ㄉ赵?/p>

13、植物適度缺水或水分過量(如水淹)等情況下會被誘導(dǎo)合成。紅葉石楠(Photiniafrasery)扦插苗在人工旱澇處理下花色苷合成均增加，且缺水時合成量更大54，一定程度缺水可促使紅葉桃(Prunuspersica)葉片花色苷合成55。過度缺水使花色苷積累量降低。玉米(Zeamays)幼苗脫水48.5%以上時，葉片中的花色苷含量下降56;缺水脅迫時間延長使紅葉桃葉中花色苷含量下降55。一定程度缺水可導(dǎo)致液泡液濃度升高，水分子因活度降低而減少對花色苷分子的攻擊，故花色苷不易向假堿形式轉(zhuǎn)變而穩(wěn)定存在、使器官較久保持顏色5758。礦質(zhì)元素許多植物，如擬南芥(Arabidopsisthaliana)缺P

14、突變體pho3，缺P時會大量積累花色苷、造成器官呈紫紅色5962，而N卻多抑制花色苷合成6364;葉片響應(yīng)缺P發(fā)生的“紫化”仍首先發(fā)生在遠(yuǎn)軸面，再擴(kuò)展到整個葉片59,65;據(jù)推測，缺P通過誘導(dǎo)花色苷合成中查耳酮合酶基因的表達(dá)而促進(jìn)花色苷合成46,6667。2.3.2化學(xué)因子液泡pH花色苷的色調(diào)和穩(wěn)定性依賴pH是花色苷的基本屬性;液泡液從強(qiáng)酸性變至中性乃至堿性時，花色苷則從紅變至紫、藍(lán)甚至無色，這是因?yàn)?酸液中，花色苷的4種結(jié)構(gòu)處于動態(tài)平衡中，分別是藍(lán)色醌式堿A、紅色黃烊鹽離子AH+、無色假堿或甲醇假堿B、無色查耳酮C;強(qiáng)酸中(pH3)，花色苷主要以黃烊鹽離子形式存在;隨著pH上升黃烊鹽離子濃度

15、和顏色強(qiáng)度因水的親核攻擊、水合而下降，變?yōu)闊o色假堿;pH繼續(xù)上升導(dǎo)致黃烊鹽離子失去質(zhì)子，醌式堿增加;pH再繼續(xù)上升時無色假堿開環(huán)形成查耳酮(圖3)4,41。趙昶靈等報道了三七(Panaxnotoginseng)根狀莖花色苷在pH為013時，花色苷由暗紅、深紅開始變?yōu)榉奂t再變藍(lán)變黃綠，到最后突然呈黑色，其可見光區(qū)吸收峰呈現(xiàn)為紅移，到pH為10時突然藍(lán)移，然后消失68。氧化劑花色苷具一個裸露陽離子(圖1,3)，故易受氧化劑攻擊;氧化劑通過直接氧化或間接氧化(即通過與花色苷反應(yīng)中的中間氧化產(chǎn)物形成無色或褐色物質(zhì))使花色苷降解，導(dǎo)致植物器官顏色淡化57,69，龐學(xué)群等證明氧化劑在體外可顯著促進(jìn)荔枝(L

16、itchichinensis)果皮花色苷降解70。還原劑Vc等還原劑對不同花色苷的穩(wěn)定性效應(yīng)不完全一致。徐忠等報道還原劑可使千日紅(Gomphrenaglobosa)花色苷穩(wěn)定性增強(qiáng)71，王曉梅等證明還原劑能延緩紅心蘿卜(Raphanussativus)花色苷降解、穩(wěn)定該蘿卜肉質(zhì)直根的顏色72。但是，郝峰鴿等卻報道還原劑對梅花美人梅(Prunusmume)花色苷的穩(wěn)定性無影響73，房巖強(qiáng)等證明還原劑導(dǎo)致紫色馬鈴薯(Solanumtuberosum)花色苷迅速降解74。24細(xì)胞形狀對花色苷的影響花色苷在液泡中造就植物器官顏色離不開細(xì)胞形狀的制約。不同形狀的細(xì)胞，特別是表皮細(xì)胞，通過影響“具花色苷細(xì)胞”的光學(xué)特性使器官呈現(xiàn)不同色彩，盡管花色苷自身并未發(fā)生變化75。Kumi等報道日本牽牛花(IpomoeanilDanjuro)尖銳狀細(xì)胞中的花色苷在534nm和437nm各有1個吸收峰，呈卡其色，但該花色苷在體外溶液中只在534nm處有一個吸收峰，呈亮紅色76。一般，植物器官的圓錐或乳頭狀表皮細(xì)胞可增加進(jìn)入表皮細(xì)胞的入射光比率、促進(jìn)器官中花色苷對光的吸收而加強(qiáng)器官顏色，且乳頭狀細(xì)胞比起扁平和圓形細(xì)胞更能散射從葉肉中反射回的光線、使器官尤其是花具有閃閃發(fā)光的效果7778。3結(jié)語與葉綠素、類胡蘿卜素相比，花色苷使高