全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (3): 327–336, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.03.004

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收稿日期: 2009-12-15; 接受日期: 2010-02-07
基金项目: 国家自然科学基金(No.30671714)、国家林业局林业公益性行业科研专项(No.200904050)和中国科学院方向性项目(No.
KSCX2-YW-N-043)
* 通讯作者。E-mail: silandai@gmail.com
菊花不同花色品种中花青素苷代谢分析
孙卫1, 3, 李崇晖2, 4, 王亮生2, 戴思兰1*
1北京林业大学园林学院国家花卉工程技术研究中心, 北京 100083; 2中国科学院植物研究所北京植物园, 北京 100093
3乌鲁木齐市植物园, 乌鲁木齐 830011; 4中国科学院研究生院, 北京 100049
摘要 应用高效液相色谱和多级质谱联用技术(HPLC-ESI-MSn), 分析菊花(Chrysanthemum × morifolium)白色、粉色、红
色、紫色、红紫色和墨色6个色系共计82个品种中花青素苷合成过程的中间产物和最终产物, 发现从白色、粉色、红色、紫
色、红紫色到墨色花青素苷含量快速增加, 分别为4.68、111.60、366.89、543.56、1 220.36和2 674.95 μg·g–1, 不同色
系间花青素苷的含量差异显著(P<0.01), 花青素苷含量越高花色越深; 墨色菊花品种中总类黄酮含量显著高于其它花色品
种(P<0.01), 其它不同色系间总类黄酮含量差异不显著(P>0.05); 随着菊花花色变深, 从柚皮素分支到圣草酚的代谢流, 以
及从圣草酚分支到矢车菊素苷的代谢流比例增加。花青素苷成分分析发现: 菊花中只含有矢车菊素苷类化合物。根据花青
素苷代谢成分分析结果绘制了菊花中花青素苷代谢路径图, 即在菊花类黄酮代谢途径中只存在矢车菊素苷代谢分支途径;
菊花不同色系在柚皮素和圣草酚2个关键代谢分支点上向不同方向代谢流的分配比例不同, 造成花青素苷产物含量不同,
导致不同花色。以上研究结果为菊花花色改良的分子育种提供了理论依据。
关键词 花青素苷, 菊花, 黄酮, 花色, 代谢途径
孙卫, 李崇晖, 王亮生, 戴思兰 (2010). 菊花不同花色品种中花青素苷代谢分析. 植物学报 45, 327–336.
通过对影响菊花(Chrysanthemum × morifolium)
花色的类黄酮代谢途径中各环节产物的定性和定量
研究, 分析菊花不同花色品种形成的化学机理和可能
的分子机制, 可以为菊花种质资源的分析鉴定和新奇
花色品种的培育提供理论依据 (张莉俊和戴思兰 ,
2009)。影响植物花色的色素主要有3类 : 类黄酮
(flavonoid)、类胡萝卜素 (carotenoid)和甜菜色素
(betacyanin)(安田, 1989; 傅荣昭等, 1995)。其中类
黄 酮 包 括 花 青 素 苷 (anthocyanin) 和 花 黄 素
(anthoxanthin) 两 大 类 成 分 , 花 黄 素 包 括 黄 酮
(flavone)和黄酮醇(flavonol) (安田, 1989)。类黄酮色
素中花青素苷是主要的呈色因子, 花黄素主要表现为
助色素效应(Asen et al., 1971)。迄今关于菊花花青素
苷的研究结果表明, 菊花中含有3种矢车菊素苷, 分
别是Cy-3-O-β-Glu、Cy-3-O-(6-O-malonyl-β-D-glu)
和Cy-3-O-(3, 6-O-dimalonyl-β-Glu)(Nakayama et
al., 1997)。此前对于菊花中黄酮和黄酮醇的研究也有
一些报道, 认为菊花中主要存在黄酮类化合物芹菜素
苷 (apigenin) 、木犀草素苷 (luteolin) 、圣草酚苷
(eriodicyol)、刺槐黄素苷 (acacetin)和香叶木素苷
(diosmetin)(Lin and Harnly, 2010)。关于花卉中的花
青素苷代谢途径一般认为其上游底物合成途径相似,
从柚皮素开始分为3个支路 , 即黄烷酮 -3-羟化酶
(flavanone 3-hydroxylase, F3H)、类黄酮-3-羟化酶
(flavonoid 3-hydroxylase, F3’H)和类黄酮-3, 5-羟化
酶(flavonoid 35-hydroxylase, F3’5’H)支路, 这3种
酶可以分别在柚皮素不同位点进行羟基化, 形成二氢
槲 皮 醇 (dihydroquercetin, DHQ) 、 二 氢 莰 非 醇
(dihydrokaempferrol, DHK) 和 二 氢 杨 梅 黄 酮
(dihydromyricetin, DHM), 三者分别在二氢黄酮醇4-
还原酶(dihydroflavonol reductase, DFR)和花青素合
成酶(anthocyanindin synthase, ANS)作用下形成天
竺葵素苷元 (pelargonidin, Pg) 、矢车菊素苷元
(cyanidin, Cy)和飞燕草素苷元(delphinidin, Dp), 再
·研究报告·
328 植物学报 45(3) 2010
在类黄酮糖基化转移酶 (flavonoid glucosyl trans-
ferase, GT)和酰基化酶(acyltransferase, AT)的作用
下进一步形成复杂的色素苷元和花青素成分
(Katsumoto et al., 2007; Tanaka et al., 2008)。前人
在代谢相关分析中发现, 月季(Rosa hybrida)中只存
在形成Pg和Cy的代谢通路, 不存在形成蓝色的飞燕
草素苷(Dp)的代谢通路, 因此在自然界的月季花中缺
少蓝色花。在此研究基础上, 人工导入外源F3’5’H基
因, 生成Dp产物, 可以形成蓝色月季花(Tanaka et
al., 2008)。花色的遗传结构不是对单一位点的研究而
是以其代谢途径来确定的(黄金霞等, 2006), 因此分
析各种植物花色形成的代谢途径成为花色改良的前
提。关于菊花类黄酮代谢途径中不同花色品种花青素
苷和黄酮产物的差异分析尚未见报道。此前对菊花花
色的研究认为, 矢车菊素苷是菊花中的主要花青素苷
(Nakayama et al., 1997); 在对药菊有效成分的相关
研究中也涉及对菊花中黄酮的定性研究 (Lin and
Harnly, 2010)。本文通过对中国传统菊花不同色系品
种中花青素苷和黄酮的定性和定量分析, 以及对类黄
酮代谢产物的代谢流量和方向的变化分析, 解析了菊
花中类黄酮代谢的规律和影响花色的原因。希望为广
泛开展的花色形成机理研究提供参考资料, 也为菊花
花色改良的分子育种提供帮助。
1 材料与方法
1.1 实验材料
2008年10月初至12月初, 在北京昌平北京林业大学
菊 花 培 育 基 地 选 择 自 然 花 期 开 花 的 菊 花
(Chrysanthemum × morifolium Ramat.)品种进行分
析。菊花主要有红、黄和白3类花色, 其中白色花不
含或含有极少量花青素苷, 红色系呈色均受花青素苷
影响, 黄色系呈色受类胡萝卜素影响(Nakayama et
al., 1997)。本研究以随机选择的白色和红色系的82
个菊花品种为研究对象。
1.2 花色的测定
在田间应用英国皇家园艺学会的比色卡(RHSCC)初
步测定花色, 随机选取自然花期开放的菊花, 每个品
种选择3株。在中国科学院北京植物园花卉生理与遗
传育种实验室, 利用色差仪测定菊花花色表型色差
值。L*值从0升至100时由小到大表明亮度增加, 明度
由暗逐渐变亮; 而–a*到+a*的转变意味着绿色的减
退, 红色的增强, a*值较大说明花色红度较高; –b*到
+b*的变化则代表了蓝色的逐渐消退, 同时伴随着黄
色的增强, b*值由负到正和由小到大的变化, 表示由
蓝色到黄色的变化 , b*值增大则黄度增加(Gonnet,
1993)。
1.3 花青素苷和黄酮的提取
称取测定过花色的新鲜菊花舌瓣花样品约1 g, 液氮
急速冷却后直接研磨成粉末, 用5 mL花青素苷提取
液(V甲醇 V∶ 水 V∶ 甲酸 V∶ 三氟醋酸=70 27 2 1)∶ ∶ ∶ 浸提24
小时(Zhang et al., 2007; Jia et al., 2008)。之后用中
速滤纸过滤, 再用过滤器(0.2 μm)过滤待测, 母液直
接用于实验测定。
1.4 花青素苷和黄酮的测定
采用高效液相色谱(high performance liquid chroma-
tography, HPLC)测定花青素苷成分 (李崇晖等 ,
2008)。高效液相色谱仪(DIONEX, 戴安公司), 泵为
P680型, 自动进样器为UltiMate 3000, 二极管阵列
检测器为PAD-100; 柱温箱为TCC-100; 色谱柱为
TOSOH公司的TSK-GEL型ODS-80Ts QA(4.6 mm
i.d.×150 mm)反相硅胶柱。
对文献报道的应用HPLC-ESI-MS分析药菊黄酮
成分的方法(Lai et al., 2007; Lin and Harnly, 2010)
加以改进, 采用梯度洗脱同时测定菊花中的花青素苷
与黄酮。数据由变色龙色谱软件记录 (戴安公司 ,
Sunnyvale, CA, USA)。色谱分析时分别从2个波长通
道(515和350 nm)同时记录吸收峰, 并对吸收峰从
200到700 nm进行全波长扫描。所得的每个峰再以
ESI源的HPLC-ESI-MSn(安捷伦公司)对典型样本花
青素苷和黄酮进行结构分析。采用LC/MSD Trap软件
(5.2版本)分析质谱结果。
花青素苷和黄酮的判定: 将液相色谱的出峰保留
时间和吸收光谱与此前已报道的结果相对比(Wang
et al., 2001a; Lin and Harnly, 2010), 确定洗脱峰是
否属于花青素苷和黄酮, 继而根据质谱中的分子离子
峰和特征离子峰判定菊花中花青素苷与黄酮的种类。
花色素含量测定: HPLC测定过程中, 分别在最
大吸收波长515和350 nm处同时检测总花青素苷
孙卫等: 菊花不同花色品种中花青素苷代谢分析 329
(total anthocyanins, TA)、各黄酮含量和总黄酮含量
(total flavones, TF)。花瓣中TA、各黄酮含量和TF的
测定采用标准品半定量法。标准品锦葵素3, 5-O-葡萄
糖苷(malvidin-3, 5-di-O-glucoside, Mv3G5G)(购于
法国Extrasynthese公司)用于计算TA; 标准品芦丁
(quercetin-3-O-rutinoside, rutin)(购于中国药品生物
制品检定所)用于计算各黄酮含量和TF。TA、各黄酮
含量和TF以μg·g–1新鲜花瓣计 , 计算分别相对于
Mv3G5G和rutin的含量(Wang et al., 2001b)。每个样
本测定3个重复。把TA和TF值相加得到总类黄酮(花
青素苷与总黄酮之和)含量。
1.5 数据分析
以色差仪测定的色差值L*、a*和b*为参数, 应用SPSS
软 件 (13.0 版 本 ) 对 花 色 进 行 聚 类 分 析 。 应 用
EXCEL2003对不同菊花花色品种之间总花青素苷和
总黄酮含量的差异显著性进行分析。
2 结果与讨论
2.1 花色表型测定结果
使用色差仪对菊花品种进行花色表型测定。根据测定
色差值CIE L*、a*、b*值聚类分析, 将花色分为墨色、
红紫、紫、红、粉、白、淡黄和黄共8个色系(白新祥
等, 2006)。本研究中的82个品种包含7个粉色、15个
红色、14个紫色、13个红紫、15个墨色和18个几乎
不含花青素苷的白色系, 共计6个色系。
2.2 菊花中类黄酮化合物的种类及含量
利用高效液相色谱技术, 按照1.4中的方法测定上述6
个色系82个菊花品种中花青素苷和黄酮的种类及含
量(表1和表2)。利用菊花花青素苷类化合物的特征吸
收(515 nm波长处)对花青素苷进行检测, 在所获得的
谱图中出现了不同保留时间的12个吸收峰。通过全波
长扫描发现, 各峰在280 nm处有第1个吸收峰, 在
512或518 nm处有第2个吸收峰, 这些特征吸收峰符
合花青素苷的光谱吸收特征(安田, 1989)。在12个吸
收峰的质谱离子中均出现矢车菊素苷元特征离子m/z
287(Abad-García et al., 2009), 因此可以判定12个
峰均为矢车菊素苷类化合物(表1)。
根据HPLC保留时间、紫外光谱和质谱数据与已
报道的菊花成分分析数据相比较(Lin and Harnly,
2010), 在HPLC分析中选择350 nm波长处检测黄酮
类化合物。按保留时间先后, 共有21个吸收峰出现。
依据保留时间、紫外光谱最大吸收值和质谱特征碎片
分析, 确定21个峰含有5类化合物, 分别是芹菜素苷
类、木犀草素苷类、刺槐黄素苷类、香叶木素苷类和
圣草酚苷类, 它们均为黄酮苷类化合物(表1)。
进一步测定了6个色系菊花中的花青素苷和黄酮
的含量(表2)。结果表明, 随着花色由深到浅, 从墨色
变为白色, 花青素苷含量逐渐减少。
2.3 不同色系花色表型与花青素苷和黄酮含量的
相关性分析
测定82个菊花品种的花色表型、总花青素苷含量(TA)
和总黄酮含量(TF)。分别按6个色系计算色差值、花
青素苷、黄酮和总类黄酮(总花青素苷与总黄酮之和)
含量, 建立菊花花色表型值与对应的花青素苷、黄酮
和总类黄酮含量表格(表3)。从表3中可以看出, 不同
色系菊花随着花色由深到浅, L*值(25.03–90.78)逐渐
增大, 表示明度由暗逐渐变亮; a*值(35.29– –8.22)逐
渐变小, 表明花色的红度降低。
2.3.1 不同色系菊花花青素苷含量的差异性分析
分析不同色系菊花的花青素苷含量差异。结果表明,
无论是在红紫、紫、红、粉、白5种花色还是在墨色
菊花中 , 各花色之间花青素苷含量差异均极显著
(P<0.01)(表4)。随着花色由深变浅(由墨色变为粉色


表1 菊花中花青素苷与黄酮的成分分析
Table 1 Component analysis of the anthocyanins and the flavones in chrysanthemum
Anthocyanins Apigenin Acacetin Eriodicyol Luteolin Diosmetin
Peak number 12 5 4 1 8 3
Absorption of peak 281, 512 or 518 268, 339 268, 335 257, 355 255, 349 250, 346
(Y0+/Y0–) 287/– 271/269 285/283 289/287 287/285 301/299
330 植物学报 45(3) 2010
表2 不同色系菊花中花青素苷与黄酮的含量(μg·g–1)
Table 2 The content (μg·g–1) of anthocyanins and flavones in chrysanthemum of different flower color groups
Color group Anthocyanins Apigenin Acacetin Eriodicyol Luteolin Diosmetin
Dark-red 2 674.95±263.95 420.71±64.98 144.31±67.35 185.11±23.69 1 418.84±180.66 69.01±39.69
Reddish-purple 1 220.36±151.34 528.82±144.92 123.23±34.42 63.18±16.89 965.01±198.89 53.10±23.99
Purple 543.56±73.70 862.08±172.20 170.36±70.69 46.16±9.84 1 026.46±124.58 25.11±8.98
Red 366.89±57.38 733.22±83.62 197.75±53.21 31.15±7.88 948.15±89.03 37.42±9.27
Pink 111.60±27.04 705.33±140.64 441.37±100.69 9.64±3.49 1 174.74±308.18 155.60±68.47
White 4.68±3.07 1 144.02±184.85 161.99±33.95 11.52±2.77 975.59±106.08 36.06±8.39
表中数值为该色系实验品种数据平均值±标准误。
Data in the table are average values of the tested varieties of different color groups (mean±SE).


表3 不同色系菊花的花色表型均值及黄酮和总类黄酮含量(μg·g–1)
Table 3 The average value of L*, a*, b* and the content (μg·g–1) of total flavones and flavonoids in chrysanthemum of different
flower color groups
Color group Sample number L* a* b* Total flavones Total flavonoids
Dark-red 15 25.03±1.41 35.29±1.18 11.78±2.00 2 237.97±249.91 4 912.93±397.62
Reddish-purple 13 39.05±1.45 39.79±0.89 –0.46±2.60 1 733.35±293.44 2 953.71±371.48
Purple 14 52.91±1.62 33.32±1.20 –9.13±0.65 2 130.17±285.83 2 673.73±287.88
Red 15 61.00±1.40 24.15±0.91 –4.45±1.89 1 947.69±122.92 2 314.58±113.37
Pink 7 80.52±1.03 5.12±0.67 –0.39±0.66 2 486.69±455.32 2 598.29±443.79
White 18 90.78±0.77 –8.22±0.65 9.31±0.50 2 329.17±237.86 2 333.85±238.45
表中数值为该色系实验品种数据平均值±标准误。
Data in the table are average values of the tested varieties of different color groups (mean±SE).


表4 6个色系菊花总花青素苷含量的方差分析
Table 4 The ANOVA analysis of the content of total anthocyanins among six flower color groups of chrysanthemum
Variation source SS DF MS F F0.01
Among class 73 233 701 5 14 646 740 55.887 991 3.27
Inner class 19 917 557 76 262 073.12 – –
Total 93 151 259 81 – – –
SS: 平方和; DF: 自由度; MS: 均方; F: 均方比; F0.01: F在0.01水平上的临界值
SS: Square sum; DF: Degree of freedom; MS: Mean square sum; F: Mean square sum among class/mean square sum inner
class; F0. 01: The threshold value of F at 0.01


至白色), 不同色系菊花中的花青素苷含量由多变少,
花色深浅与花青素苷的积累量呈正相关(图1A)。
2.3.2 不同色系菊花总类黄酮含量的差异性分析
对不同色系菊花花青素苷代谢途径中总类黄酮含量
(总花青素苷与总黄酮含量之和)进行比较, 墨色品种
与红紫、紫、红、粉、白色5个色系菊花品种之间总
类黄酮含量差异极显著(P<0.01)(图1B, 表5)。墨菊中
总类黄酮含量达到4 912.93 μg·g–1, 几乎是其它花色
菊花的2倍(图1B), 说明与另外5种花色相比, 墨菊中
有更多的类黄酮参与整个代谢过程。
红紫、紫、红、粉和白色这5种花色之间总类黄
酮含量差异不显著(P>0.05), 可以认为这5种花色之
间总类黄酮含量相似(图1B, 表6), 即在这5个色系菊
花的次生代谢循环中分配到类黄酮的代谢流没有显
著差异。总类黄酮是总花青素苷与总黄酮的和, 根据
前述总花青素苷的测定结果, 花青素苷含量随花色加
深而增加, 说明菊花花色的差异是由于菊花类黄酮代
谢流在花青素苷和黄酮两方面的分配比例不同造
成的。
孙卫等: 菊花不同花色品种中花青素苷代谢分析 331


图1 不同色系菊花的总花青素苷含量(A)和总类黄酮含量(B)
Figure 1 The content of total anthocyanins (A) and flavon-
oids (B) in chrysanthemum of different flower color groups

2.3.3 不同色系菊花中类黄酮代谢流分配比例
分析
在菊花HPLC-ESI-MSn分析中, 根据保留时间、质谱
特征碎片离子与标准样品的比对判定, 只检测到类黄
酮代谢途径的最终产物木犀草素苷类、香叶木素苷
类、圣草酚苷类和矢车菊素苷类产物, 以及由柚皮素
直接代谢产生的芹菜素苷类和刺槐黄素苷类, 没有检
测到从柚皮素出发的天竺葵素代谢途径和飞燕草素
代谢途径的产物。
菊花类黄酮代谢过程中柚皮素向下的代谢流有4
个可能的分支流向, 分别形成矢车菊素苷、天竺葵素
苷、飞燕草素苷和黄酮苷。为了研究其分配规律, 我
们将菊花类黄酮代谢过程中的产物分为2类: 以柚皮
素在F3’H酶作用下的产物设定为矢车菊途径代谢产
物类(A)和其它代谢产物类(B), 通过计算A/B的变化
来观察代谢流分支的变化。在我们的分析中, 直接测
定了菊花花瓣中的花青素苷和黄酮苷含量, 进而获得
总类黄酮量。总类黄酮量扣除矢车菊途径代谢产物量
后的余量称之为其它代谢产物量。本文将A/B称为矢
车菊途径代谢流向比值, 其代表菊花类黄酮代谢过程
中从柚皮素向矢车菊途径代谢方向产物量的相对丰
度, 计算结果列于表7中。
结果表明(表7), 墨色菊花的矢车菊代谢途径产
物量约为白色菊花的4倍, 而其它代谢产物量约为白
色菊花的一半, 因此花色由白色到墨色, 矢车菊代谢
流向比值变化幅度近8倍。从柚皮素分支形成的产物
在墨菊中有高达4 181.31 μg·g–1的量用来合成矢车菊
代谢方向产物, 较少产生芹菜素和刺槐黄素等黄酮产
物, 矢车菊途径代谢流向比值在各种花色中也是最大
的, 为5.72:1, 远大于其它花色的比值。红紫色花在
这个方向的代谢产物量仅约为墨色花的一半。紫色、
红色和粉色菊花则代谢量基本相近, 约为墨色花的
1/3。在白色花中流向矢车菊代谢方向的产物比值只
有0.77:1, 远小于其它色系的比值, 矢车菊代谢途径
明显受到抑制, 而形成芹菜素苷产物方向则得到明显


表5 6个色系菊花总类黄酮含量的方差分析
Table 5 The ANOVA analysis of the content of total flavon-
oids among six flower color groups of chrysanthemum
Variation
source
SS DF MS F F0.01
Among class 72 542 095 5 14 508 419 11.23 3.27
Inner class 98 181 537 76 1 291 862 – –
Total 170 723 632 81 – – –
SS、DF、MS、F和F0.01同表4。
SS, DF, MS, F and F0. 01 are the same as in Table 4.


表6 红紫、紫、红、粉、白5个色系菊花品种之间总类黄酮含
量的方差分析
Table 6 The ANOVA analysis of the content of total flavon-
oids among reddish-purple, purple, red, pink and white
chrysanthemum
Variation source SS DF MS F F0.05
Among class 4 021 535 4 1 005 384 0.96 2.52
Inner class 64 980 585 62 1 048 074 – –
Total 69 002 120 66 – – –
SS、DF、MS和F同表4; F0.05: F在0.05水平上的临界值。
SS, DF, MS and F are the same as in Table 4; F0.05: The
threshold value of F at 0.05.
332 植物学报 45(3) 2010
表7 不同色系菊花中矢车菊素苷代谢途径与其它代谢途径的分配比例
Table 7 The distribution ratio of cyanidin(Cy) metabolic pathway to other pathways in different flower color groups of chrysan-
themum
Color group Total
flavonoids
(μg·g–1)
Flavonoids in
Cy pathway
(μg·g–1)
Flavonoids in
other pathways
(μg·g–1)
Ratio of flavonoids in
Cy pathway to in other
pathways
Percentage of cyanins in
the flavonoids in Cy path-
way (%)
Dark-red 4 912.93 4 181.31 731.62 5.72:1 63.97
Reddish-purple 2 953.71 2 244.79 708.92 3.17:1 54.36
Purple 2 673.73 1 599.75 1 073.98 1.49:1 33.98
Red 2 314.58 1 355.57 959.01 1.41:1 27.07
Pink 2 598.29 1 442.91 1 155.38 1.25:1 7.73
White 2 333.85 1 017.47 1 316.38 0.77:1 0.46


加强(表7)。
以不同花色菊花中最终形成的矢车菊素苷占矢
车菊素苷途径类黄酮量的百分比来衡量矢车菊素苷
在代谢流中分配水平的高低。如表7所示, 在墨菊中,
有高达63.97%的圣草酚被用来合成矢车菊素苷, 表
明墨菊中DFR酶合成矢车菊素苷的能力可能得到很
大的加强。而白色菊花中从圣草酚向矢车菊素苷的代
谢通路受到严重限制, 几乎没有(0.46%)矢车菊素苷
的产生。当菊花花色由白色向墨色逐渐转变时, 矢车
菊素苷含量急剧上升, 白色与粉、红、紫、红紫和墨
色菊花中矢车菊素苷含量的比值分别为1:23、1:78、
1:116、1:260和1:572, 从白色到墨色增加了近600
倍。
2.4 讨论
2.4.1 不同菊花品种中类黄酮成分分析
通过对大量样本的分析, 发现菊花中只含有矢车菊色
素苷元, 与前人的研究结果相同。此前曾经有报道在
菊花中发现了3种矢车菊素苷 (Nakayama et al.,
1997), 本实验在HPLC中共检测到12个矢车菊素苷
的色谱峰, 具体的结构有待进一步研究。
本实验在菊花中检测到的黄酮类化合物有芹菜
素苷、木犀草素苷、圣草酚苷、刺槐黄素苷和香叶木
素苷, 与此前报道一致(Lin and Harnly, 2010)。

2.4.2 菊花花青素苷代谢途径
一般花青素苷代谢从丙二酰和香豆酰开始, 直到形成
柚皮素, 再从柚皮素分3支分别形成各种花青素苷。
各代谢途径在柚皮素以上的合成途径相似, 从柚皮素
开始, 代谢方向不同而形成不同的花青素苷。柚皮素
在F3’H、F3H和F3’5’H三个酶的作用下, 进一步分别
形成矢车菊素苷、天竺葵素苷和飞燕草素苷(Katsu-
moto et al., 2007; Tanaka et al., 2008)。
根据上述菊花花青素苷代谢通路最终产物和黄
酮苷中间产物分析的结果, 可以推测出菊花中花青素
苷代谢途径(图2)。即菊花花青素苷代谢从柚皮素开
始 , 受到类黄酮 -3’-羟化酶 (F3’H)和黄酮合成酶
(flavone synthase, FS)的作用, 向2个方向分别形成
矢车菊产物(圣草酚)和黄酮(芹菜素苷和刺槐黄素
苷)。圣草酚向3个方向形成代谢产物: (1) 圣草酚经过
糖基化酶和酰基化酶作用, 形成圣草酚苷; (2) 圣草
酚经过黄酮合成酶作用形成木犀草素苷; (3) 圣草酚
经过F3H、DFR和ANS酶的作用形成矢车菊素苷元,
再经过甲基化、糖苷化和酰基化形成各种矢车菊素
苷。
从菊花花青素苷代谢的中间产物和最终产物来
看, 除了黄酮苷类直接代谢为花黄素等辅助色素成分
外, 菊花的花青素苷代谢途径中只存在矢车菊素苷代
谢途径。由于只有矢车菊素苷存在, 菊花花色中除了
黄、白色外仅表现为深浅不同的红色, 从粉红到墨色
(深红)。在我们的实验中没有检测到天竺葵素苷元的
相关代谢产物, 而菊花中存在F3H基因, 可以推定在
菊花花青素苷代谢途径中, F3H可能存在底物特异性,
只对矢车菊代谢途径中的圣草酚起作用, 或者存在对
F3H基因的抑制因子。根据菊花花瓣代谢产物的测定
结果和分析, 可以推测在菊花中不存在Dp和Pg的花
青素苷代谢途径, 或者Dp花青素苷代谢途径受到严
重抑制。从分子育种改变菊花花色的角度出发, 可以
采用引入外源基因(如F35H基因)或调控菊花内F3H
基因(韩科厅等, 2008)的方法, 增加菊花中Pg和Dp
孙卫等: 菊花不同花色品种中花青素苷代谢分析 333


图2 菊花中花青素苷代谢途径
CHS: 查耳酮合成酶; CHI: 查耳酮异构酶; F3H: 类黄酮-3-羟
化酶; F35H: 类黄酮-3,5-羟化酶; FSI: 黄酮合成酶I; FSII: 黄
酮合成酶II; F3H: 黄烷酮-3-羟化酶; DFR: 二氢黄酮醇还原酶;
ANS: 花青素苷元合成酶; MT: 甲基转移酶; AT: 酰基化酶;
GT: 类黄酮葡萄糖苷转移酶

Figure 2 The anthocyanins metabolic pathway in chrysan-
themum
CHS: Chalcone synthase; CHI: Chalcone isomerase; F3H:
Flavonoid 3-hydroxylase; F35H: Flavonoid 35-hydroxylase;
FSI: Flavone synthase I; FSII: Flavone synthase II; F3H:
Flavanone 3-hydroxylase; DFR: Dihydroflavonol reductase;
ANS: Anthocyanindin synthase; MT: O-methyltransferase;
AT: Acyltransferase; GT: Flavonoid glucosyl transferase


代谢途径的花青素苷产物, 进而增加菊花花色的多样
性, 培育出全色系列的菊花, 丰富菊花的观赏性。

2.4.3 菊花花色差异的化学机理
采用HPLC方法测定菊花中的总类黄酮含量, 发现白
色、粉色、红色、紫色和红紫色5种色系菊花的总类
黄酮产物量差异不显著(P>0.05)(图1B, 表6), 说明
在类黄酮代谢途径的初始阶段, 这5种花色的花中类
黄酮代谢量是相似的。同时, 也说明这5种花色的差
异可能不是由类黄酮的积累决定的, 而是在类黄酮化
合物总量不变的情况下, 通过接下来的不同代谢途径
产生不同的花青素苷来调控花色表型的。进一步的花
青素苷含量测定证实了这种推测。在从柚皮素向下的
代谢过程中, 花色越浅则柚皮素更多形成非矢车菊素
苷方向的产物, 如芹菜素苷和刺槐黄素苷(表7)。在
F3’H酶的作用下柚皮素形成圣草酚的比例增加则花
色加深; 随着花色加深, 圣草酚也更高比例地形成了
矢车菊素苷(表7)。在柚皮素和圣草酚这2个关键的代
谢分支点上流向不同方向代谢产物的比例不同, 造成
花青素苷产物量的不同, 形成不同的花色。花青素苷
的含量与花色的亮度呈负相关 , 与红度呈正相关
(Zhang et al., 2007), 最终由于花瓣中花青素苷含量
的不同形成菊花不同的红色花。由于缺少F3’5’H酶的
作用, 在菊花中未形成飞燕草素苷类代谢产物, 因此
在菊花中缺乏蓝色花。
从不同花色菊花的花青素苷代谢中间产物和最
终产物测定结果来看, 墨菊的花青素苷代谢过程显著
不同于其它花色的菊花, 表现为墨菊中总类黄酮的含
量显著高于其它花色(P<0.01)(图1B, 表5)。从类黄酮
代谢途径来看, 墨菊中矢车菊方向代谢产物的比例相
比其它花色更高。从最终产物来看, 墨菊中流向矢车
菊代谢方向的底物形成矢车菊素苷的比例也是各花
色中最高的(表7)。以上结果表明, 墨菊的色素积累能
力比较强, 如圣草酚苷含量(185.11 μg·g–1)是其它色
系的3–20倍, 花青素苷含量(2 674.95 μg·g–1)也是其
它色系的2–24倍。墨菊积累花色素能力强的原因是我
们下一步将探讨的问题。
白色系菊花的总类黄酮产物量与粉色、红色、紫
色和红紫色没有显著差异(P>0.05)(图1B, 表6), 说
明白色花在柚皮素之前的代谢过程与其它花色相似。
白色花类黄酮代谢从柚皮素向圣草酚的形成过程受
阻, 更多的产物为非矢车菊代谢方向产物, 而从圣草
酚向矢车菊素苷的代谢又进一步受阻, 主要形成木犀
草素苷和香叶木素苷, 不形成或少量形成矢车菊素苷
(表7), 因此表现为白色花。

2.4.4 菊花花色差异的遗传机理
查耳酮合酶(chalcone synthase, CHS)是将苯丙烷代
谢途径引向类黄酮代谢途径的第1个酶, 因此, 植物
次生代谢是否向花青素苷形成方向进行及形成产物
的多少首先是由CHS基因决定的(陈晓亚, 2006; 季
志平等, 2006)。CHS作用得到增强, 造成流向花青素
苷合成途径的中间产物增加, 可能是花青素苷产物增
加的主要原因。从代谢过程来看, 墨菊中向类黄酮方
向代谢底物量的增加可能是墨菊花色不同于其它色
334 植物学报 45(3) 2010
系菊花的重要原因。墨菊花青素苷代谢途径的特异性
是否与CHS基因作用增强有关值得深入研究。这将有
助于我们进一步理解菊花深色花形成的分子机制, 进
而在培育其它花卉的深色花中发挥理论指导作用。
此前对花色素代谢途径中基因的研究表明, F3’H
和DFR基因的上调和抑制与花青素苷的积累和花色
紧密相关(胡可等, 2009)。在蓝猪耳(Torenia hybrida)
中过量表达F3’H基因可以增加矢车菊素苷的积累
(Ueyama et al., 2002); 在紫色矮牵牛(Petunia hy-
brida)中, 人工干预下调F3’H和DFR基因表达会造成
花色变淡或变白, 这些结果清楚地表明在花色素代谢
通路中基因表达对花青素苷积累和花色的调节作用
(Fukuchi et al., 2004)。根据我们对菊花系列花色的研
究结果, 深色菊花的形成不仅可能与总花青素苷的积
累有关(表4), 而且另一个可能原因是代谢途径的柚皮
素阶段高比例向矢车菊素苷方向分配(表7)。研究证据
表明, 随着花色加深, 流向矢车菊素苷方向的代谢产
物量相应增加, 可能是F3’H基因的调节作用。在圣草
酚的代谢过程中, 深色花矢车菊素苷方向代谢产物量
的比例也很高(表7), 大量的矢车菊素苷产物积累可能
是菊花形成深色花的重要原因, 这也可能是由于DFR
基因的调节作用。
白色花中类黄酮代谢到柚皮素后, 代谢产物的比
例已经产生变化, 更多的产物为非矢车菊代谢方向产
物, 这可能是由于F3’H酶的作用受阻所致; 从圣草酚
向下的代谢途径中, 主要形成木犀草素苷和香叶木素
苷, 不形成或形成极少量矢车菊素苷, 导致花色为白
色, 这可能是由于DFR基因和下游ANS基因受到抑
制, 调控了代谢过程。白色菊花中类黄酮产物总量与
除墨菊以外的其它花色相似, 但存在矢车菊素苷代谢
路径受抑制的现象, 因此它是对菊花花色进行分子改
良的理想材料, 不仅可以通过导入相关基因提高矢车
菊素苷代谢流来增加花的各种颜色变化, 同时也可以
通过导入外源基因(如F3’5’H基因等)来增加菊花中不
存在的色素(如飞燕草色素等), 以获得自然界中不存
在的菊花色系, 如蓝色系的菊花。
3 结论
经过分析, 我们推测: 菊花的类黄酮代谢途径中, 除
形成花黄素等成分外, 在花青素苷的3个代谢分支途
径中, 只存在矢车菊素苷代谢分支途径, 不存在飞燕
草素苷和天竺葵素苷代谢分支途径。
墨色菊花的总类黄酮含量显著高于其它色系, 而
白色、粉色、红色、紫色和红紫色5个色系之间总类
黄酮量没有显著差异。菊花花色的形成与柚皮素代谢
点上的代谢流分配比例相关, 随着菊花从白色到墨
色, 通往矢车菊方向代谢途径的产物增多, 花青素苷
生成比例增高, 花色加深; 白色菊花在圣草酚代谢点
受阻, 基本不产生或很少产生矢车菊素类花青素苷是
形成白色花的主要原因。
根据对代谢产物链的分析, 结合此前相关研究结
果认为CHS、F3’H和DFR基因在菊花花青素苷代谢过
程中起着关键的调控作用, 导致不同菊花品种中花青
素苷比例产生差异从而造成花色差异。白色菊花属于
矢车菊素苷代谢通路受抑的色系, 适合作为利用外源
基因干扰改变花色的研究对象。
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336 植物学报 45(3) 2010
Analysis of Anthocyanins and Flavones in Different-colored
Flowers of Chrysanthemum
Wei Sun1, 3, Chonghui Li2, 4, Liangsheng Wang2, Silan Dai1*
1College of Landscape Architecture, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2Beijing Botanical Garden, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
3Urumqi Botanical Garden, Urumqi 830011, China; 4Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract We analyzed the metabolic intermediate and final products, including anthocyanins and flavones, in 82 culti-
vars of Chinese chrysanthemum (Chrysanthemum × morifolium) divided into 6 groups by color: white, pink, red, purple,
reddish-purple and dark-red. High-performance liquid chromatography (HPLC) with a photodiode array detector
(HPLC-PAD) and HPLC-electrospray ionization-mass spectrometry (HPLC-ESI-MSn) were used for qualitative and quan-
titative analysis of anthocyanin and flavone. The higher the cyanin accumulation in the chrysanthemum flower, the darker
the color. The cyanin content in white, pink, red, purple, reddish-purple and dark-red flower groups was 4.68, 111.60,
366.89, 543.56, 1 220.36 and 2 674.95 μg·g–1, respectively, for a significant difference among groups (P<0.01). Quantita-
tive analysis revealed no significant difference among color groups in flavonoid content (P>0.05), except for the dark-red
group, which had notably higher content of flavonoids and anthocyanins than other groups (P<0.01). The darker the flower
color, the higher the ratios of metabolic flux from the naringenin to eriodicyol and from the eriodicyol to cyanins on the
basis of lightness colorimetric values. Thus, the cyanin pathway is the only flower-color metabolic pathway in chrysan-
themum, although three different pathways lead to different flower colors. We provide a metabolic flux figure on the an-
thocyanin metabolic pathway in chrysanthemum comparing anthocyanin content in different flower colors. The different
ratios to cyanins from narigenins and eriodicyol are the crucial metabolic points that induce the diverse cyanin products in
flowers and then lead to the various flower colors. These results provide a theoretical basis for molecular breeding to
improve flower color in chrysanthemum.
Key words anthocyanin, chrysanthemum, flavone, flower color, metabolic pathway
Sun W, Li CH, Wang LS, Dai SL (2010). Analysis of anthocyanins and flavones in different-colored flowers of chrysan-
themum. Chin Bull Bot 45, 327–336.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: silandai@gmail.com
(责任编辑: 刘慧君)