全 文 ：·综述与专论· 2012年第12期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
花青素（Anthocyanins）又称花色素，属黄酮类
化合物，是一类植物次生代谢产物，广泛存在于植
物的花、果实、种子、叶和茎中，是植物呈现五颜
六色的物质基础［1，2］。自然状态下游离态的花青素
很少见，而主要与各种单糖结合以稳定的糖苷（花
青苷）形式存在［3］。花青素的基本结构为 3，5，7-
三羟基 -2-苯基苯并吡喃（图 1）。现已知的花青素
有 20 多种，在植物中根据其结构中 R1 和 R2 取代
基的不同主要存在天竺葵花色素（pelargonidin）、矢
车菊花色素（cyanidin）、翠雀素（飞燕草花色素）
（delphindin）、芍药花色素（peonidin）、矮牵牛花色
素（petunidin）及锦葵花色素（malvidin）6 种，而
后 3 种则是由前 3 种花色素以不同程度的甲基化衍
生出来的［4，5］（表 1）。自 1835 年由 Marquart 提出
收稿日期 : 2012-04-22
基金项目 : 中央高校基本科研业务费专项资金项目（SWJTU11ZT25）
作者简介 : 赵启明 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: ianyou000@sina.com
通讯作者 : 李萍 , 女 , 博士 , 教授 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: wu_mengting@163.com
花青素生物合成关键酶的研究进展
赵启明  李范  李萍
（西南交通大学生命科学与工程学院，成都 610031）
摘 要： 花青素是植物花呈现不同色彩的物质基础，其生物合成途径主要受到查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、
黄烷酮 3-羟化酶（F3H）、类黄酮 3-羟化酶（F3H）、类黄酮 3，5-羟化酶（F35H）、二羟基黄酮醇还原酶（DFR）、花色素苷合成酶
（ANS）以及类黄酮 3-O-糖基转移酶（UFGT）等关键酶的控制。主要介绍花青苷生物合成途径、关键酶晶体结构及利用基因工程
改造花色的研究进展，讨论目前花色改造存在的问题，并对今后的研究前景进行展望。
关键词 ： 花青素 晶体结构 基因工程
Research Advances on Core Enzymes of Anthocyanidin Biosynthesis
Zhao Qiming Li Fan Li Ping
（School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031）
Abstract:  Anthocyanidin is the material basis of the plant flowers showing different colors, its biosynthetic pathway is mainly controlled
by Chalcone synthase, chalcone isomerase, flavanone 3-hydroxylase, flavonoid3-hydroxylase, flavonoid 3, 5-hydroxylase dihydroflavonol
4-reductase, anthocyanidin synthase and flavonoid 3-O-glucosyltransferase. The biosynthesis pathway of anthocyanidin, core enzyme’s crystal
structure, modification of flower pigment were introduced in this review, discussed the existing issues in transformation of flower pigment and put
in perspective.
Key words:  Anthocyanidin Crystal structure Genetic engineering
花色素一词以来，对其代谢途径和功能已有较深入
广泛的研究［6］。花青素作为一种天然食用色素，安
全无毒性、无诱变作用 ；同时具有重要的营养和药
理作用，能预防心血管疾病、抗氧化、抗突变和辐
射、保护肝脏与抗癌等作用。因此，对花青素在园艺、
医药和保健食品等方面的研究备受生物学家、医学
家等研究者的青睐［5，7］。
图 1 花青素结构
HO
A
O+
5ÿ
6ÿ
4+
1ÿ
2ÿ 3ÿ
C
B
OH
OH
OH
3
45
6
7
2 R2
R1
8 1
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第12期26
表 1 六种常见的花色素及各位置上的取代基
花色素 拉丁名 R1 R2
天竺葵花色素 Pelargonidin H H
矢车菊花色素 Cyanidin OH H
翠雀素 Delphindin OH OH
芍药花色素 Peonidin OMe H
矮牵牛花色素 Petunidin OMe OH
锦葵花色素 Malvidin OMe OMe
1 花青素的生物合成途径
目前对花青素生物合成途径已有较深入的研究，
现已对很多植物如矮牵牛（Petunia hybrida）、石竹
（Dianthus）、 桔 梗（Eustoma）、 非 洲 菊（Gerbera）、
玉米（Zea mays）及金鱼草（Antirrhinum majus）等
的花青素代谢途径的研究已比较成熟［1，8-10］。花青
素的形成主要经过 3 个阶段，最终生成稳定的花青
苷。第一阶段即苯丙烷途径，是苯丙氨酸在苯丙氨
酸裂解酶、肉桂酸羟化酶、4-香豆酰 CoA 连接酶的
作用下经过 3 步酶促反应合成 4-香豆酰 CoA，此途
径是许多代谢所共有的途径［11］。第二阶段，是类黄
酮代谢的关键反应，主要是由第一阶段产生的 4-香
豆酰 CoA 与 3 丙二酰 CoA 在查尔酮合酶、查尔酮异
构酶和黄烷酮 3-羟化酶的催化作用下逐步生成黄酮
醇和类异黄酮［12，13］。第三阶段是各种花青素的合成
及修饰，先在二氢黄酮醇 4-还原酶的催化作用下生
成各种无色的花色素，经花色素合酶的氧化脱水作
用形成各种显色但不稳定的花色素［14］，最后经过糖
基化、酰基化、甲基化等修饰形成稳定多样的花色
素。张宁等［15］则把花青素的代谢途径分为 5 个阶段，
在原代谢途径中将花青素骨架合成之后的修饰和花
青素苷在液泡转运与汇集分别列为第四、五阶段。
2 花青素合成关键酶
花青素的形成的直接前体是 4-香豆酰 CoA 与 3
丙二酰 CoA，最后形成花的颜色涉及一系列酶。本
文主要介绍 CHS、CHI、F3H、F3H、F35H、DFR、
ANS、UFGT 这些酶的结构特征及通过这些酶改变花
色的基因工程研究进展。
2.1 查尔酮合成酶（CHS）
查尔酮合成酶是花青素生物合成途径中的第一
个关键酶［1］，其基因起源于苔藓植物［16］，基因结构
以及对应编码区十分保守，除了在金鱼草的 AmCHS
基因有 2 个内含子外，其他 CHS 基因都只含有一个
内含子。氨基酸具有较高的同源性不同科之间相似
性一般在 80% 以上，编码近 400 个氨基酸［17，18］。
现已从很多植物克隆得到了查儿酮合酶，如玉米、
兰花、高粱、拟南芥（Arabidopsis）、金鱼草和豆科
植物等。Ferrer 等［19］于 1999 年已得到了紫花苜蓿
（Medicago sativa）的晶体结构，对 CHS 的晶体结构
研究表明该酶是一个同源二聚体蛋白，两个功能相
互独立，亚基的分子量为 40-50 kD［20］（图 3），具有
His303、Cys164 和 Asn336 三个活性位点及两个决定
底物特异性的苯丙氨酸残基 Phe215 和 Phe265［19］（图
4）。基于对查尔酮合酶基因的克隆及结构分析，已
有很多基因工程的手段运用于在此酶基础上改造花
色和改良植物品种的探索。Van der Krol 等［21］将反
义 CHS 基因导人紫色矮牵牛中发现，该过程抑制了
其花色苷的形成，最终得到开白色花的矮牵牛植株。
Fukusaki 等［22］以 CHS 的 mRNA 为靶点，利用 RNA
干扰技术，使夏堇（ToreniA）中的 CHS 基因沉默后，
干扰了花色苷的正常表达，将原蓝色花成功的改造
为白色和灰白色花 ；Jorgenson 等［23］对矮牵牛等植
物的研究表明，当 CHS 基因多拷贝导入植物体内时，
㚹Ṳ䞨L-㤟щ≘䞨 4-俉䉶䞠
4-俉䉶COA
4㗏สḕቄ䞞
CHS
CHI
F3H
DFR
F3 H˃ F3 5˃ H˃
DFR DFR
ANS/LDOXANS/LDOXANS/LDOX
UFGT/3GT UFGT/3GT
MT, RT, AT, 5GT, 7GT
㣡䶂㤧-3-㪑㨴㌆㤧
㘐䳰㍐ཙㄪ㪥㍐
ᰐ㢢㘐䳰㍐ᰐ㢢ཙㄪ㪥㍐
⸒䖖㧺㍐
ᰐ㢢⸒䖖㧺㍐
Ҽ≒῝Ⳟ㍐ Ҽ≒哴䞞䞷 Ҽ≒ᶘẵ哴䞞
ḊⳞ㍐
3щҼ䞠COA
C4H
4CL
PAL
㣡䶂㤧
PLA. 苯丙氨酸解氨酶 ；C4H. 肉桂酸 -4- 羟化酶 ；CHS. 查尔酮合酶 ；CHI. 查
尔酮异构酶 ；F3H. 黄烷酮 3- 羟化酶 ；F3H. 类黄酮 3 羟化酶 ；F35H. 类黄
酮 3,5- 羟化酶 ；DFR. 二氢黄酮醇 4- 还原酶 ；ANS. 花色苷合酶
图 2 花青素的生物合成途径
2012年第12期 27赵启明等 ：花青素生物合成关键酶的研究进展
导致植物内源 CHS 基因表达紊乱，从而使花色表现
出多样性。
2.2 查尔酮异构酶CHI
查尔酮异构酶的分子量在 24-29 kD 之间［24］，
Joseph 等［25］于 2000 年得到了紫花苜蓿的 CHI 晶体
结构（图 5-A），其空间结构类似于由开面的 β-三明
治折叠形成的倒置花束。由一个较大的 β-折叠（β3a-
β3f）和一个底层 α-螺旋（α1-α7）构成了其核心结构，
再由 3 个较短的 β-折叠侧面的 β-转角（β1a、β1b 和
β2）共同构成其整体结构（图 5-B）［25］。自 1987 年
由 Mehdy 等首次从豌豆中分离出 CHI 基因后，研究
者已从从矮牵牛、菜豆、玉米、豌豆（pisorum）、紫
花苜蓿、翠菊（Callistephus）和水母雪莲（Saussurea
medusa） 等 多 种 植 物 中 克 降 分 离 得 到 CHI 基 因。
Norimoto 等［26］将植物 CHI 蛋白基因家族分为两大
类。一类能将查尔酮异构化为 5-羟基黄烷酮 ；另一
类存在于豆科植物中，除了催化产生 5-羟基黄烷酮
外，还能产生 5-脱氧黄烷酮。从 CHI 的功能可以看出，
它主要催化 5-羟基查尔酮转化为柚皮素，抑制其表
His303
His303
Cys164
Cys164
Phe265
Asn336
Phe215
Asn336
Phe215
Resveratrol Resveratrol
Phe265
图 3 紫花苜蓿 CHS 晶体结构（PDB ：1BI5）
Cys164、His303 和 Asn336 分别为 CHS 基因的 3 个活性位点，
Phe215 和 Phe265 为苯丙氨酸残基
图 4 CHS-白藜芦醇复合体的电子密度图
N-terminal
C-terminal
2S-Narlngenln
α2
α7 α4
α6
α1
α3
β2
β3a β3bβ3c
β3d
β3e
β3f
α5
A B
达或降低其活性则会导致 4 羟基查尔酮的大量积累，
由于 4 羟基查尔酮是合成黄色花花色素的重要底物。
因此，对于在 CHI 基础上的基因工程改造花色主要
会是植物产生黄色花。Nishihara 等［27］运用 RNA 干
扰技术抑制烟草的 CHI 的表达后，发现花瓣中的黄
酮类物质减少，而花粉中却积累了大量的查尔酮，
使其花瓣变成了黄色。Itoh 等［28］将转座子插入康乃
馨 CHI 和 DFR 基因，使其表达受阻，从而培育出了
黄色康乃馨。Kim 等［29］发现红色洋葱（Cepa）CHI
基因突变导致 CHI 酶失活，使洋葱内柚皮素大量减
少，黄酮类物质大量积累，最终产生金黄色洋葱。
2.3 类黄酮3羟化酶F3H
类黄酮 3 羟化酶 F3H 属氧化戊二酸依赖型加氧
酶，反应时都要依赖 Fe2+、氧、2-酮戊二酸等作为
辅助因子，具有底物特异性，在植物类黄酮生物合
成调控中起着关键的作用［30］。自 1991 年由 Martinet
等［31］首次从金鱼草中克隆得到 F3H 基因以来，现
已从矮牵牛、拟南芥、洋葱、玉米、紫花苜蓿和苦
荞（Fagopyrum tataricum）等多种植物中克隆得到
图 5 紫花苜蓿 CHI 晶体结构（PDB ：1EYP）（A）及紫花苜蓿 CHI 结构及与（2S）-柚皮素对接（B）
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第12期28
了它们对应的 F3H 序列。在矮牵牛、玉米、拟南芥
和紫花苜蓿等多数植物中以单拷贝基因存在，在紫
苏中则存在 2-3 个拷贝［32］。通过对矮牵牛的研究表
明，F3H 是一个分子量为 42 kD 的单体蛋白，其中
His220、His278、Arg222 和 Ser290 氨基酸残基对酶
的活性起关键性的作用［33］。李鹏等［34］通过构建胡
萝卜（Daucus carota）和茶的三维结构发现 F3H 结
构中亚铁离子以及结合亚铁离子的 His 及 Asp 被包
埋在酶中心部位，2-ODD 酶位于整个结构的核心位
置（图 6）。Ono 等［35］通过 RNA 干扰技术处理蓝紫
色夏堇 F3H 基因，获得白色花。此外，Zuker 等［36］
将反义 F3H 导入只含天竺葵色素苷的橙色香石竹中
后抑制了 F3H 基因的表达，得到了乳黄色或黄色的
香石竹。
2.4 类黄酮3-羟化酶F3H及类黄酮3 5-羟化酶
F35H
类黄酮 3 羟化酶 F3H 和类黄酮 3，5-羟化酶
F35H 均属于细胞色素 P450 家族的单加氧酶，都需
NADPH 作为辅助因子。由于很多植物如月季（Rosa
chinensis）、 玫 瑰（Rugosa）、 郁 金 香（Tulipa）、 菊
花、香石竹（Carnation）等自身都不含 F35H 基因，
故无法合成蓝紫色翠雀素，因此运用基因工程手段
在原本缺乏 F3H 和 F35H 基因的植物中引入这两
种基因，早已成为花卉花色研究的重点和热点。最
早的 F35H 转基因花卉是由 Florigene 和 Sandory 两
家公司研究人员将矮牵牛的 F35H 和 DFR 导入白
色香石竹中，选育出了紫色 Moondust 的新品种并
投放市场，取得了很大的经济效益。随后，Calgene
Pacific 和 Sundoiy 公 司 将 F35H 基 因 转 入 缺 乏 合
成翠雀素的蔷薇（Pimpinellifolia）中得到了蓝色蔷
薇。Brugliera 等［37］ 将 三 色 堇 F35H 导 入 月 季 中，
产生了蓝紫色花色的月季。Okinaka 等［38］用风铃草
（Campanula）的 F35H 基因转化烟草获得成功，使
烟草淡红色花变为紫色。由于 F3H 和 F35H 可以
决定二氢黄酮醇的羟化位置及程度，进而改变花色
素苷的合成种类和改变花的颜色。因此，研究者习
惯按其控制合成花色素苷的颜色将 F3H 称为“红色
基因”，将 F35H 称为“蓝色基因”。目前，对于花
色的改造主要还是集中在 F3H 和 F35H 两种酶上。
2.5 二氢黄酮醇4-还原酶DFR
二 氢 黄 酮 醇 4-还 原 酶 属 ADPH 依 赖 性 短 链
还 原 酶 家 族［39］， 在 不 同 的 物 种 中 均 存 在 保 守 的
“VTGAAGFIGSWLIMRLLERGY”NADP 结 合 域［40］。
研究表明，DFR 与底物结合区中的第 134 位氨基酸
残基决定底物的特异性，并揭示大多数植物的 DFR
第 134 位氨基酸是 Asp 或 Asn，这种底物的特异性
和表达水平的不同，是导致各种植物出现花色和果
实颜色多样性的主要原因，如矮牵牛 DFR 主要催
化 DHM，对 DHK 则无催化作用［41］。在非洲菊中
DFR 能利用 3 种二氢黄酮醇作为催化底物，是天竺
葵素存在于非洲菊但不存在于矮牵牛中的原因［42］。
Pierre 等［43］于 2007 年得到了葡萄 DFR 晶体结构（图
7-A）及与 NADP 和底物 DHQ 对接模型（图 7-B），
研究表明其结构是由 3 个亚基组成的复合体，同时
具有特异的 NADP 结合域。Archna 等［44］于 2010 年
运用 MODELLER 9v7 软件以葡萄 DFR 晶体结构为模
板构建了菠菜 DFR 的三维结构，并用 PROCHECK
和 WHATCHECK 软件评估得到了合理的菠菜 DFR
的三维结构。现已从玉米、矮牵牛、非洲菊、番茄
（Lycopersicon）、葡萄（Vitis）、紫苏（Perilla）、山柏
杨、小麦（Triticum）和莲花等植物中克隆得到了它
们的 DFR 基因。通过对 DFR 基因结构的深入研究，
许多基因工程已运用于改造花色。Aida 等［45］ 将
DFR 及 CHS 导入蓝猪耳，出现白色花，主要由于抑
制了其内源基因的表达。Johnson 等［42］将非洲菊中
能还原 DHK 的 DFR 导人到白色矮牵牛中，得到了
砖红色花。通过对紫色矮牵牛和红色香石竹构建反
义 DFR 植株，最后分别得到了浅粉色、白色花边和
浅粉色、有花斑的矮牵牛和香石竹花［46，47］。可见，
围绕 DFR 基因进行基因操作也是改造花色的主要研
究方向。
2.6 花色素合酶ANS
花色素合酶属 2-酮戊二酸依赖型双加氧酶，主
要将无色花青素转化为有色花青素［30］，其产物是花
色素生物合成途径中的第一个显色化合物，因此，
对植物的色彩形成起着至关重要的作用［48］。刘小
强［49］对紫肉甘薯的研究发现，其 ANS 蛋白具有结
合亚铁离子的保守氨基酸 H242、D244、H298 和结
2012年第12期 29赵启明等 ：花青素生物合成关键酶的研究进展
合 酮 戊 二 酸 的 RXS 基 序。Rupert 等［50］ 于 2002 年
得到了拟南芥的晶体结构（图 8），该研究还表明
ANS 的活性位点为一金属离子共底物和两分子底物
类似物共同构成的复合体。Gong 等［32］的研究发现，
ANS 在红色紫苏的叶中正常表达，而在绿色紫苏中
未见表达，此结果与花青素的积累模式相符。Rosati
等［51］ 对金钟连翘（Forsythia）ANS 的研究，认为
ANS 只在萼片中表达而在其花瓣或花药中并不表达，
从而导致花瓣中无花青素苷的合成。Noriko 等［52］通
过运用 RNA 干扰技术抑制蓝色蝴蝶草（Toreni）的
ANS 基因，选育出了白花蝴蝶草，并且能够稳定遗传。
Seitz 等［53］认为白色马蹄莲（Zantedeschia）佛焰苞
变白，主要由于其 ANS 基因未表达所致。可见，抑
制或缺乏 ANS 活性，则主要导致花色变浅甚至变白，
这主要与其将无色花青素转化为有色花青素的功能
有关。
A B
图 6 胡萝卜 F3H 三维结构
图 7 葡萄 DFR 晶体结构（PDB ：2C29）（A）
及与 NADP 及底物 DHQ 对接模型（B）
图 8 拟南芥 ANS 晶体结构（PDB.1GP5）
2.7 类黄酮3-O-糖基转移酶 UFGT
类黄酮 3-O-糖基转移酶是花色素苷形成的最
后一个酶，主要负责将不稳定的花色素转变为稳定
的花色素苷，即类黄酮 3-O-糖基转移酶（3GT）将
UDP-glucose 上的葡萄糖转移到花色素分子的 C3 羟
基上，从而使花色素苷的结构稳定［54］。研究表明
UFGT 一般在植物后期或果实接近成熟的转色期表
达，且表达的强度与花色素苷合成呈正相关［55］。如
白色和红色葡萄品种中，UFGT 只在红色品种的果
皮中大量表达［56，57］。王惠聪等［58］发现荔枝（Litchi
chinensis）在果实成熟过程中，只有 UFGT 活性与荔
枝果皮花色素苷合成关系密切。付海辉等［59］通过
同源建模得到了较为理想的葡萄、苹果（Pumila）、
玉米的三维结构（图 9），对于研究其作用机理以及
与底物结合有一定的参考价值。
3 展望
自 1835 年 由 Marquat 提 出 花 色 素 一 词， 经 过
100 多年的研究，花色素的生物合成途径已研究得
较为清楚［6］，其合成关键酶在很多植物中都已成功
克隆，拟南芥、紫花苜蓿和葡萄等植物的一些关键
酶的晶体结构也已测出。特别是近 20 年将基因工程
手段成功运用于花色改造，取得了较大进展。如利
用 RNA 干扰技术抑制控制花色的关键酶的表达使其
产生各种不同的花色 ；向本身不含某种花色素合成
关键酶基因的植物中导入该外源基因，使其增加一
个或几个新的性状 ；也可以通过导入调节基因以增
强或减弱原代谢产物的表达，从而达到改变花色的
目的。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第12期30
尽管在花色改造方面已取得了很多可喜的成
绩，然而仍有很多问题尚不明确。如花青素生物代
谢途径的唯一性 ；关键酶结构和功能的阐述 ；调控
基因和结构基因之间如何相互作用来调节花色素的
生物合成 ；关键酶基因表达的时刻顺序 ；关键酶基
因，如 CHI 正、反义抑制失败原因的解释 ；以及除
酶调节以外，其他因素如光、热、pH、氧、金属离
子等对花色素的形成及稳定性的影响 ；利用关键酶
进行花色改造的基因工程是否可以针对所有有花植
物；转基因遗传稳定性如何，是否会造成基因污染等，
这些问题有待更深入的研究。
花色素苷合成关键酶晶体结构的构建，将有助
于从结构上更清楚、具体的研究底物与酶的结合位
点及结合方式，对于运用基因工程手段改造花色具
有指导性的作用。蛋白质晶体结构主要通过核磁共
振、射线晶体衍射法和质谱法构建，但成本较高流
程长不易测定。因此，很多蛋白质三维结构主要还
是通过同源建模的方法得到。我们研究小组在前不
久通过同源建模的方法以葡萄 DFR 晶体结构为模板
（PDB ：2C29）成功构建了拟南芥 DFR 的三维结构
及 DFR 与 NADP 辅助因子结合区域和底物结合区域
的特点，这对于从结构上理解 DFR 与底物结合模式
有重要意义。相信通过对更多植物花色素苷合成关
键基因的克隆，晶体结构的构建及生物工程、生物
信息学的发展，将为创新花色提供广阔的前景和全
新的思路。
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C
N
C N
C
B C
A. 葡萄 ；B. 苹果 ；C. 玉米
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（责任编辑 狄艳红）