全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (2): 101~110 101
收稿 2012-12-21　　修定 2013-01-18
资助 国家科技部“973”项目(2013CB127000)。
* 通讯作者(E-mail: huangjr@sibs.ac.cn; Tel: 021-54924145)。
拟南芥中花青素的修饰
谢烨, 孙毅, 黄继荣*
中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所, 上海200032
摘要: 花青素属于类黄酮化合物, 赋予了植物从红色、蓝色到紫色的多种颜色, 在帮助植物吸引昆虫为其传粉和传播种子
等方面发挥着重要功能。现有研究表明花青素的呈色和稳定性与其修饰基团类别、数目和位置等要素密切相关。近年来,
在不同物种中发现了参与花青素修饰的各种酶。模式植物拟南芥因其基因组信息清楚, 生长周期短和花青素组成明确等
特点成了研究花青素修饰途径的理想材料。本文主要综述了拟南芥中花青素合成后的修饰过程及其产物多样性。
关键词: 花青素修饰; 拟南芥; 糖基转移酶; 酰基转移酶
Anthocyanin Modification in Arabidopsis
XIE Ye, SUN Yi, HUANG Ji-Rong*
Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai
200032, China
Abstract: Anthocyanins are produced by a branch of the flavonoid pathway. They give plants a colorful world
from red, purple to blue pigments, and play an important role in pollination and seed dispersal. The diversities
of modification groups, numbers and positions not only affect the color and stability of anthocyanins, but also
largely expand their species. In recent years, enzymes involved in anthocyanin modifications have been widely
reported in different species. Based on the sequenced genome, short life span and distinct anthocyanin composi-
tion, Arabidopsis thaliana has become an ideal material to study the anthocyanin modification pathway. This
review summarized the progress made towards anthocyanin modification pathways in Arabidopsis.
Key words: anthocyanin modification; Arabidopsis; glycosyltransferase; acyltransferase
花青素(anthocyanin)是一类广泛存在于植物
花朵、果实和叶等器官中的水溶性色素, 与查尔
酮(chalcones)、黄酮(f lavones)、黄酮醇(f la-
vonols)、黄酮双醇(flavandiols)、浓缩单宁(con-
densed tannins)、橙酮(aurones)和异黄酮(isofla-
vonoids)等一样均属于类黄酮(flavonoids)次生代谢
产物(secondary metabolites), 来源于苯丙烷类(phe-
nylpropanoid)生物合成途径(Dixon和Paiva 1995;
Winkel-Shirley 2001)。类黄酮物质具有特征性很
强的C6-C3-C6碳骨架(2个芳香环和1个含氧杂环),
并富含酚羟基, 具有极强的抗氧化特性(antioxidant
property), 能够帮助植物清除代谢过程中产生的活
性氧(reactive oxygen species) (Hernandez等2009)。
因此, 在植物抵抗紫外线(Sarma和Sharma 1999;
Steyn等2002)、干旱(Castellarin等2007)和低温
(Christie等1994)等非生物胁迫, 以及防御病原菌
(Lorenc-Kukula等2005; Winkel-Shirley 2001)和昆
虫侵害(Bidart-Bouzat和Imeh-Nathaniel 2008)等生
物胁迫方面发挥重要作用。此外, 类黄酮物质也
是功能性食品中的主要成分之一, 在延缓人体衰
老、防御和治疗心血管疾病和癌症(Bagchi等2004;
Wang和Stoner 2008)等方面表现出良好的功效。
除了上述功能之外, 花青素还赋予了植物从
浅粉到红、紫, 直至深蓝等颜色(Deroles 2009), 在
吸引昆虫为植物传粉和散播种子上有着重要生物
学功能(Winkel-Shirley 2001)。花青素赋予植物的
显著表型特征, 对许多重大生物学理论的发现和
现象的解释起到了重要作用。如孟德尔遗传定律
和玉米(Zea mays)中转座子(transposon)的发现, 副
突变(paramutation)和重复基因沉默(gene silencing)
特约综述 Invited Reviews
植物生理学报102
引起的表观遗传(epigenetics)现象(Brink 1973;
Ronchi等1995)以及矮牵牛(Petunia hybrida)中共抑
制(cosuppression)现象的解释(Napoli等1990)。
1 花青素的呈色因子
花青素赋予植物丰富多彩的颜色与花青素分
子结构密不可分。花青素又称花色苷, 是花色素
的糖苷衍生物(anthocyanidin glycoside derivates)。
花色素(anthocyanidins)是花色苷的糖苷配基(agly-
cones), 是2-苯基苯并吡喃阳离子结构(2-phenyl-
benzogyryalium)的多羟基和甲氧基衍生物(图1)。
花色素分子结构中的苯环-C3桥-苯环是发色基团,
在C3、C5、C7位及C4′位的取代羟基(图1)构成了
花色素的助色基团, 使其在波长范围465~560 nm
和270~280 nm处有最大光吸收。在植物体内, 游
离的花色素因疏水性强且不稳定、含量极低, 一
般以糖基化的形式存在(Tanaka等2009; Andersen
和Jordheim 2010)。许多因素包括基团修饰、pH
和金属离子都能通过改变花青素的分子结构而影
响其呈色。pH是影响花青素呈色的重要因素
(Mazza和Brouillard 1987; Yoshida等2009), 矮牵牛
花朵的颜色随着液泡pH值的升高偏向于蓝色甚至
丧失(Quattrocchio等2006); 其次金属离子(Momonoi
等2009)和共显色(copigment) (Welch等2008; Yoshi-
da等2009)对花青素呈色也有着重要作用。例如,
矢车菊(Centaurea cyanus)和玫瑰含有相同的花青
素组成 , 但是矢车菊呈蓝色而玫瑰往往呈现红
色。对矢车菊中的色素进行X射线晶体结构解析,
发现色素分子中的花青素和黄酮与Fe3+、Mg2+和
Ca2+结合在一起共显色, 从而决定了其独特的蓝色
花色(Shiono等2005)。
2 花青素的修饰基团
到2009年为止, 人们已经在植物中鉴定到了
35种花色素和约650种花青素, 其中的92%均衍
生于6种花色素, 它们分别是天竺葵素(pelargoni-
din)、矢车菊素(cyanidin)、芍药素(peonidin)、飞
燕草素(delphinidin)、矮牵牛素(petunidin)和锦葵
素(malvidin) (图1) (Andersen和Jordheim 2010)。在
模式植物拟南芥(Arabidopsis thalinan)中所鉴定到
的11种花青素都衍生于矢车菊素(图2) (Yonekura-
Sakakibara等2012)。那么到底哪些基团参与了花
青素的修饰呢？
图1 植物中最常见的6种花色素
Fig.1 Six most common anthocyanidins in plant kingdom
参考Andersen和Jordheim (2010)文献修改。
图2 拟南芥中鉴定到的花青素
Fig.2 Identified anthocyanins in Arabidopsis
参考Luo等(2007)和Yonekura-Sakakibara等(2012)文献修改。
A1: R1=H, R2=H, R3=H; A2: R1=H, R2=H, R3=丙二酰; A3: R1=H,
R2=p-香豆酰, R3=H; A4: R1=芥子酰, R2=H, R3=H; A5: R1=H,
R2=p-香豆酰, R3=丙二酰; A6: R1=H, R2=p-香豆酰-葡萄糖基,
R3=H; A7: R1=芥子酰, R2=p-香豆酰, R3=H; A8: R1=H, R2=p-香豆
酰-葡萄糖基, R3=丙二酰; A9: R1=芥子酰, R2=p-香豆酰, R3=丙二
酰; A10: R1=芥子酰, R2=p-香豆酰-葡萄糖基, R3=H; A11: R1=芥
子酰, R2=p-香豆酰-葡萄糖基, R3=丙二酰。
2.1 糖基化修饰
花色素经过糖基化修饰后成为花青素, 因此
糖基化既标志着花色素合成的结束, 也意味着花
青素修饰的开始。花青素中的糖基修饰以葡萄糖
(glucose)为最多, 常见的还有半乳糖(galactose)、
鼠李糖(rhamnose)、木糖(xylose)、阿拉伯糖(arab-
谢烨等: 拟南芥中花青素的修饰 103
inose)和果糖(fructose)。这些糖基通常与花色素
C3位上的羟基相连, 有时也连接到C5和C7位羟基,
甚至C3′、C4′和C5′位羟基上(图1)。除了3-脱氧花
青素(3-deoxyanthocyanins)之外, 基本上所有的花
青素都在C3位羟基上连有糖基。糖基化的修饰增
强了花青素的稳定性与水溶性(Welch等2008; An-
dersen和Jordheim 2010)。在拟南芥中, 糖基化修饰
包括矢车菊素C3位羟基和C5位羟基上的葡萄糖基
化, 及一个木糖基化修饰(图2)。
2.2 甲基化修饰
甲基化修饰大都发生于花色素分子的C3′和
C5′位羟基上, 有时也在C5或C7碳位羟基上(Ander-
sen和Jordheim 2010)。甲基化修饰稳定了花青素
的B环, 使整个分子的化学活性降低, 同时增加其
水溶性。由于减少了花青素分子中羟基的数目,
甲基化修饰还能够使花青素的颜色偏红。由于矢
车菊素是拟南芥中唯一的花色素, 所以不存在甲
基化修饰。
2.3 酰基化修饰
花青素的酰基化修饰是除了糖基化之外的另
一大类修饰。目前鉴定的花青素中至少有66%存
在着酰基化修饰, 其中86%的酰基连接在糖基的
C6位羟基上(Andersen和Jordheim 2010)。酰基化
修饰根据酰基类型可分为芳香族酰基化(aromatic
acylation)和脂肪族酰基化(aliphatic acylation)。参
与芳香族酰基化的芳香酸以香豆酸(coumaric acid)、
咖啡酸(caffeic acid)、芥子酸(sinapic acid)、阿魏
酸(ferulic acid)和p-羟基苯甲酸(p-hydroxybenzoic
acid)为主; 而参与脂肪酸酰基化的脂肪酸以乙酸
(acetic acid)、丙二酸(malonic acid)、草酸(oxalate)、
琥珀酸(succinic acid)和苹果酸(malate)为主, 其中
丙二酰基修饰存在于25%的花青素中(Tanaka等
2009; Andersen和Jordheim 2010)。酰基修饰使花
青素的水溶性与稳定性进一步提高, 避免了其在
中性及弱酸性水溶液中迅速褪色的现象。此外,
芳香族酰基化修饰还能够改变花青素的吸收波长,
使其颜色显得更蓝(Luo等2007; Yoshida等2009)。
拟南芥中, 花青素的酰基修饰包括p-香豆酰基化、
丙二酰基化和芥子酰基化(图2)。
3 拟南芥中花青素的修饰以及参与修饰的酶
近年来, 在不同物种中发现了参与花青素修
饰的酶,包括糖基转移酶(glycosyltransferases)、酰
基转移酶(acyltransferases)和甲基转移酶(methyl-
transferases)。相较于各种修饰酶的鉴定, 有关花
青素修饰途径的研究较少。相关研究表明, 模式
植物拟南芥中花青素的修饰存在多种途径, 合成
某一类型花青素的方式可能不止一种, 从而形成
一个网格式的修饰途径(Frase等2007; Yonekura-
Sakakibara等2012)。但是根据相关突变体材料中
的花青素成分分析及体外酶活实验的结果, 拟南
芥中存在着一条花青素修饰的主要途径(Yoneku-
ra-Sakakibara等2012)。以下详细介绍这条主要修
饰途径(图3)与修饰特性。
3.1 修饰第1步——矢车菊素C3位的葡萄糖基化
拟南芥中所有花青素均是矢车菊素C3和C5
位被糖基化后的产物(图2), 被认为是花青素修饰
途径中的第1步。Borevitz等(2000)报道了一个由
激活标签(activation-tagging)法创制的过量积累花
青素的拟南芥突变体, 命名为pap1-D (production
of anthocyanin pigment 1-dominant)。PAP1编码一
个MYB类转录因子, 能够激活花青素合成结构基
因的表达 , 从而促进花青素的合成(Borevitz等
2000; Gonzalez等2008)。通过转录组研究发现在
pap1-D中有3个糖基转移酶UGT75C1、UGT78D2
和UGT79B1的表达量分别是它们在野生型中的
12.7、3.9和70.8倍(Tohge等2005)。这些糖基转移
酶均属于家族1糖基转移酶(family 1 glycosyltrans-
ferases, UGTs), 能将尿苷二磷酸(UDP)-糖中的糖基
转移至多种类黄酮物质的羟基上。它们通常以单
体形式定位于细胞质, 分子量为50~55 kDa, 最适
pH范围为8.0~8.5。它们的碳端包含一个由44个氨
基酸残基组成的“植物次级产物糖基转移酶” (plant
secondary product glycosyltransferase, PSPG)结构
域, 可能与UDP-糖中的UDP相结合(Mackenzie等
1997; Paquette等2009)。氨基酸序列同源比对发现
UGT75C1、UGT78D2和UGT79B1分别属于UDP-
糖:类黄酮5-O-糖基转移酶(5GT)、UDP-糖:类黄酮
3-O-糖基转移酶(3GT)以及UDP-糖:类黄酮3-O-糖
苷-2′′-O-糖基转移酶(3G-2′′GT)亚家族。
在ugt75c1突变体中, 只检测到矢车菊素3-O-
葡萄糖苷衍生物, 而矢车菊素C5位上的葡萄糖基
化修饰消失, 说明UGT75C1参与C5位上糖基修饰;
植物生理学报104
而在ugt78d2突变体中花青素的含量骤减, 主要成
分还是A11 (图2)。体外酶活实验表明UGT78D2能
够以UDP-葡萄糖为糖基供体(donor), 催化受体(ac-
ceptor)矢车菊素生成矢车菊素3-O-葡萄糖苷。综
上所述, UGT75C1和UGT78D2分别是UDP-葡萄
糖:矢车菊素5-O-糖基转移酶和UDP-葡萄糖:3-O-
糖基转移酶, 而矢车菊素C3位的葡萄糖基化优先
于C5位 , 并认为是拟南芥中花青素修饰的第一
步。此外, 在ugt78d2中花青素的总量大幅度减少,
而ugt75c1中花青素的总量不变, 可见C3位糖基化
的花青素对于矢车菊素的稳定储存非常重要。
3.2 修饰第2步和第3步——木糖基化或p-香豆酰
基化
花青素修饰的第2步可能是矢车菊素C5位的
葡萄糖基化, 或是矢车菊素3-O-葡萄糖苷糖基C2
位的木糖基化, 或是3-O-葡萄糖苷糖基C6位的p-香
豆酰基化。Yonekura-Sakakibara等(2012)对公共数
据库中1 388个微列阵数据进行转录组共表达分析
(transcriptome coexpression analysis)和独立成分分
析(independent component analysis, ICA)后发现
UGT79B1与花青素合成基因共表达。上文中提到
Tohge等(2005)也发现该酶属于类黄酮糖基转移酶
图3 拟南芥中花青素修饰的主要途径
Fig.3 Putative major route of anthocyanin modification in Arabidopsis
参考Yonekura-Sakakibara等(2012)文献修改。
谢烨等: 拟南芥中花青素的修饰 105
3G-2′′GT亚家族, 而拟南芥中鉴定到花青素分子在
矢车菊素3-O-葡萄糖苷糖基C2位羟基上正好有木
糖基的修饰(图2)。在ugt79b1突变体中, 花青素含
量减少, 组成成分也发生了变化, 但仍然能鉴定到
矢车菊素3-O-葡萄糖苷。互补实验证明该表型确
实由UGT79B1功能缺失所引起。体外酶活分析结
果显示UGT79B1能够以UDP-木糖为供体, 催化其
受体矢车菊素3 - O -葡萄糖苷转变为矢车菊素
3-O-[2-O-(木糖基)葡萄糖苷], 但对UDP-阿拉伯
糖、UDP-半乳糖和UDP-葡萄糖等糖基供体均无
活性, 对矢车菊素3,5-双葡萄糖苷及其衍生物等糖
基受体也均无催化活性(Yonekura-Sakakibara等
2012)。上述结果表明UGT79B1非常专一性地负
责花青素的木糖基化修饰, 且该修饰发生于矢车
菊素C5位的葡萄糖基化之前。所以矢车菊素C5位
上的葡萄糖基化并不是花青素修饰的第2步。
Tohge等(2005)的研究还发现AT1G03940和
AT3G29590两个基因在pap1-D中的表达量分别是
在野生型中的25.9和13倍, 它们编码的蛋白属于
BAHD酰基转移酶。BAHD酰基转移酶能利用酰
基辅酶A (acyl coenzyme A, acyl-CoA)作为酰基供
体(Nakayama等2003; Luo等2007)。它们含有Tyr-
Phe-Gly-Asn-Cys的保守基序, 以单体形式定位在
细胞质和(或)内质网上, 分子量约50 kDa, 最适pH
范围为7.0~8.5。在龙胆(Gentiana triflora) (Fuji-
wara等1998)、紫苏(Perilla frutescens) (Yonekura-
Sakakibara等2000)、一串红(Salvia splendens) (Su-
zuki等2001, 2004b)、大丽花(Dahlia variabilis)
(Suzuki等2002)、瓜叶菊(Senecio cruentus) (Suzuki
等2003)和杭白菊(Dendranthema morifolium) (Su-
zuki等2004a)中催化花青素酰基化的酶均属于
BAHD酰基转移酶家族。BAHD家族的酰基转移
酶在其催化底物的选择上具有多样性, 并且催化
相同酰基底物的酰基转移酶可能是独立进化的,
这表明通过同源比对法很难鉴定不同物种中的花
青素酰基转移酶。同源分析也表明拟南芥的
BAHD家族中没有发现在其他物种中鉴定到的花
青素酰基转移酶(Luo等2007)。
高浓度蔗糖(Solfanelli等2006)和缺磷(Dixon
和Paiva 1995)均能诱导花青素的合成。运用修饰
功能基因组学策略(modified functional genomics
strategy), Luo等(2007)发现3个编码BAHD酰基转
移酶的基因AT1G03495、AT1G03940和AT3G29590
[后2个基因在Toghe等(2005)的研究中也被提及]的
表达量被高糖或缺磷这2种条件大幅度上调。然
而, 在at1g03940和at1g03495这2个突变体中, 花青
素的含量和组成成分均没有改变。不过体外酶活
实验表明它们都能够以p-香豆酰-CoA为底物, 催
化矢车菊素3-O-葡萄糖苷生成矢车菊素3-O-[6-O-
(p-香豆酰)葡萄糖苷] , 因此将它们分别命名为
At3AT1和At3AT2。此外, 它们对酰基供体阿魏
酰-CoA和咖啡酰-CoA都具有较高活性, 但对芥子
酰-CoA几乎没有活性(Luo等2007)。上述结果一
方面验证了BAHD家族成员具有底物多样性的特
点; 另一方面, 拟南芥中鉴定到的花青素在芳香族
酰基修饰上只有p-香豆酸和芥子酸, 那么这2个基
因编码的酰基转移酶很可能参与p-香豆酰基化的
修饰过程, 且相互之间存在着功能冗余(functional
redundancy)。由于这2个基因在遗传上连锁紧密,
很难通过双突变来验证上述说法, 所以可以通过
在一个不能合成p-香豆酰基化花青素的物种中进
行这2个基因的过表达, 来确认这2个基因能否在
体内帮助花青素实现p-香豆酰基化的修饰。烟草
(Nicotiana tabacum)是一种不能合成芳香族酰基化
修饰花青素的物种, 它只能合成矢车菊素3-O-芸香
糖苷和天竺葵素3-O-芸香糖苷(Timberlake和Bridle
等1975)。过表达At3AT1和At3AT2这2个基因后, 烟
草花朵中花青素的总量略有增加。用HPLC-MS检
测花青素组成成分后发现, 过表达株系的花朵中
产生了2种新的花青素, 分别是矢车菊素3-O-[6-O-
(p-香豆酰)葡萄糖苷]和天竺葵素3-O-[6-O-(p-香豆
酰)葡萄糖苷] (Luo等2007)。这说明了At3AT1和
At3AT2编码的酰基转移酶的确参与了体内花青素
p-香豆酰基化的修饰, 且它们之间存在着功能冗
余。有意思的是, 这2个酰基转移酶的体外实验还
表明矢车菊素3,5-双葡萄糖苷和天竺葵素3,5-双葡
萄糖苷均不能作为其催化反应的酰基受体(Luo等
2007)。这也表明拟南芥中p-香豆酰化修饰早于矢
车菊素C5位羟基上的葡萄糖基化修饰。
那么修饰途径的第2步究竟是矢车菊素3-O-
葡萄糖苷糖基C2位上羟基木糖基化, 还是其C6位
上羟基上的p-香豆酰基化呢？有研究表明香豆酰
植物生理学报106
基化修饰对于花青素分子的稳定性很重要(Luo等
2007)。相反, 紫罗兰(Matthiola incana)中酰基化的
花色素3-O-葡萄糖苷并不稳定, 但可作为3-O-葡萄
糖苷-2′′-O-木糖转移酶的理想底物(Teusch 1986)。
而在ugt79b1突变体中花青素含量大幅减少, 暗示
了木糖基化修饰对于拟南芥中花青素的稳定积累
的确是非常重要的(Yonekura-Sakakibara等2012)。
由于目前无法得到矢车菊素3-O-[6-O-(p-香豆酰)
葡萄糖苷]的标准品, 因此也不能确定UGT79B1能
否将矢车菊素3-O-[6-O-(p-香豆酰)葡萄糖苷]作为
其反应的底物。所以, 木糖基化和p-香豆酰基化修
饰都可能成为花青素修饰主要途径的第2或第3步
(Yonekura-Sakakibara等2012)。
3.3 修饰第4步和第5步——矢车菊素C5位的葡萄
糖基化和丙二酰基化修饰
Luo等(2007)发现BAHD酰基转移酶基因家
族成员at3g29590突变体中的花青素总量不变, 但
其组成成分发生显著变化。A11、A9和A5这3种
野生型中含量最高的花青素在此突变体中基本不
存在; 而A10含量激增, 取代A11成为了含量最多的
一种花青素。此外, A3、A6和A7的含量也较野生
型中增加(Luo等2007)。通过结构比对可以发现
A11、A9和A5都是有丙二酰基修饰的花青素, 而
A10、A3、A6和A7均是无丙二酰基修饰的花青素
(图2)。体外酶活实验的结果表明, 在丙二酰-CoA
为酰基供体的前体下, 该基因编码的酰基转移酶
能够将矢车菊素3,5-双葡萄糖苷、矢车菊素3-O-[6-
O-(p-香豆酰)葡萄糖苷]-5-O-葡萄糖苷和矢车菊素
3-O-[2-O-(木糖基)-6-O-(p-香豆酰)葡萄糖苷]-5-O-
葡萄糖苷作为酰基受体, 且均具有很高活性。这
一结果也说明木糖基化和p-香豆酰化基修饰是早
于矢车菊素C5位上的葡萄糖基化。因此, 该基因
被命名为At5MAT。
At5MAT体外酶活实验还表明, 如果将矢车菊
素3-O-{2-O-[2-O-(芥子酰)木糖基]-6-O-(p-香豆酰)
葡萄糖苷}-5-O-葡萄糖苷(A7)作为底物, 催化活性
降低一半; 而将矢车菊素3-O-{2-O-(木糖基)-6-O-
[4-O-(葡萄糖基) p-香豆酰]葡萄糖苷}-5-O-葡萄糖
苷 ( A 6 )作为底物 , 几乎没有催化活性 ( L u o等
2007)。上述结果表明丙二酰基化修饰优先于芥子
酰化修饰和p-香豆酰基上的葡萄糖基化修饰。所
以, 拟南芥中花青素修饰主要途径的第4步和第5
步分别是矢车菊素C5位上的葡萄糖基化修饰或丙
二酰基化修饰。
3.4 修饰第6步和第7步——芥子酰基化和p-香豆
酰基上的葡萄糖基化
UGT84A2是另一个与花青素合成基因共表达
的糖基转移酶(Yonekura-Sakakibara等2012)。在
ugt84a2突变体中, 花青素的总量变化虽不显著, 但
其组成成分的比例发生了变化。最明显的变化来
自于A11的减少和A5的增加。在野生型中A11的
含量至少占到了花青素总量的50%, 而在突变体中
A11的含量只占到总量的20%, 而A5却占到总量的
40%~50% (Yonekura-Sakakibara等2012)。由于A5
仅仅比A11少了一个芥子酰基的修饰(图2), 而UG-
T84A2是一个糖基转移酶, 那么一个糖基转移酶如
何去影响芥子酰基的修饰呢？之前的研究表明
UGT84A1、A2和A3具有非常高的同源性, 能够把
UDP-葡萄糖作为糖基供体, 将芥子酸作为糖基受
体, 催化产生1-O-芥子酰葡萄糖(1-O-sinapoylglu-
cose)。除了芥子酸外, UGT84A1和A3也能够将肉
桂酸、p-香豆酸、咖啡酸和阿魏酸作为糖基受体,
但是UGT84A2却非常专一地选择芥子酸作为糖基
受体进行催化反应(Lim等2001)。在ugt84a1突变
体中, 花青素的总量和组成成分都没有变化。考
虑到ugt84a2突变体中仍然合成了少量芥子酰基修
饰的花青素, 所以UGT84A1、A2和A3可能都参与
花青素的芥子酰化, 而UGT84A2在其中起到主要
作用。
下一步的反应应该是将1-O-芥子酰葡萄糖上
的芥子酰基转移到花青素木糖基C2位羟基上。
Tohge等(2005)的研究发现在pap1-D中SCPL10的
表达量是野生型中的2.2倍, 该基因编码一个丝氨
酸羧肽酶类似(serine carboxypeptidase-like, SCPL)
蛋白。之前的研究发现SCPL8和SCPL19分别催化
1-O-芥子酰葡萄糖上的芥子酰基转移到苹果酸和
胆碱(choline)上形成芥子酰苹果酸(sinapoylmalate)
和芥子酰胆碱(sinapoylcholine) (Lehfeldt等2000;
Shirley等2001), 这说明了芥子酸需要先被活化后
才能作为酰基供体参与下游的代谢途径, 而1-O-芥
子酰葡萄糖在该过程扮演了类似酰基-CoA的角色,
UGT84A1、A2和A3这3个酶则通过催化芥子酸和
谢烨等: 拟南芥中花青素的修饰 107
葡萄糖形成1-O-芥子酰葡萄糖而活化了芥子酸。
2008年, Abe等在康乃馨(Dianthus caryophyllus)中
发现了一个酰基转移酶能够将1-O-苹果酰葡萄糖
作为酰基供体催化苹果酰基转移到天竺葵素-3-O-
葡萄糖苷糖基C6位羟基上。该酰基转移酶不属于
BAHD家族, 却也具有丝氨酸羧肽酶类似序列。那
么SCPL10是否能够将1-O-芥子酰葡萄糖上的芥子
酰基转移到花青素木糖基的C2位羟基上呢？在
scpl10突变体中, 花青素总量变化不大, 但是其组
成成分发生了显著变化。A9和A11这2个有芥子酰
基修饰的组分几乎不存在, 而A5和A8这2个没有芥
子酰基修饰的组分的含量大幅增加。此外, 互补
材料中花青素的组分成分恢复到了野生型的水平
(Fraser等2007)。因此, SCPL10能够以1-O-芥子酰
葡萄糖为芥子酰基供体, 将其转移到花青素木糖
基的C2位羟基上。综合以上结果可以推断芥子酰
基修饰要早于p-香豆酰基上的葡萄糖修饰, 芥子酰
基化是拟南芥中花青素修饰主要途径的第6步, 而
p-香豆酰基上的葡萄糖基化则是最后一步。到目
前为止, 催化最后一步修饰的酶还没有被发现。
4 花青素修饰的多样性
4.1 修饰途径的多样性
除了拟南芥以外, 相关研究人员对紫苏(Peril-
la frutescens)和龙胆(Gentiana triflora)中花青素的
修饰途径曾有一些简单的研究。紫苏和龙胆中花
青素的修饰途径并不是单一的, 同样存在着网格
式的修饰途径(Yamazaki等1999; Fukuchi-Mizutani
等2003)。植物中花青素的修饰过程遵循一定的规
律。一般来说, 花青素糖基化是修饰的第一步, 早
于酰基化; 糖基化修饰位置C3位要先于C5位, 而B
环上糖基化修饰则最迟发生; 酰基化修饰的顺序
也大致遵循先在花色素3-O-糖苷上进行, 而后在花
色素5-O-糖苷上。此外, 研究结果发现花青素甲基
转移酶(anthocyanin O-methyltransferase, AOMT)不
能以酰基化的花青素作为反应底物(Hugueney等
2009; Lücker等2010; Fournier-Level等2011), 但能
将甲基转移至在C3和C5位已被糖基化修饰的矢车
菊素和飞燕草素的C3′和C5′位羟基上, 从而产生芍
药素、矮牵牛素和锦葵素糖苷衍生物(Holton和
Cornish 1995; Schwinn和Davies 2004)。因此, 甲基
化修饰较多地发生在糖基化之后、酰基化之前。
花青素的修饰途径更具有多样性的特点。首
先, 其修饰途径随物种不同有很大差异。例如, 玫
瑰中花青素修饰的第一步并不是优先在C3位上发
生。催化玫瑰中花色素糖基化修饰的第一个酶是
一个UDP-葡萄糖:花色素-5,3-O-糖基转移酶, 能够
先后催化C5和C3位上的糖基化(Ogata等2005); 再
如, 不同于拟南芥, 其他物种中鉴定到花色素在其
分子B环的不同碳位上存在着多种羟基化和甲基
化修饰方式(Andersen和Jordheim 2010)。早在花
色素的合成阶段, 类黄酮3′-羟化酶(F3′H)、3′5′羟
化酶(F3′5′H)能够分别在花色素分子B环的3′、3′
和5 ′碳位上进行羟基化修饰(Holton和Cornish
1995)。而拟南芥因为有F3′H, 并且没有F3′5′H, 所
以不可能合成天竺葵素、飞燕草素及其甲基化后
的矮牵牛素和锦葵素。其次, 花青素的修饰途径
与其积累组织也有关。拟南芥根中A5是主要的花
青素, 而A11则几乎检测不到, 其原因在于根中并
没有1-O-芥子酰葡萄糖的存在, 也就无法提供芥子
酰基, 故图3中的后两步就无法进行, 花青素的修
饰停留在A5上(Tohge等2005)。再者, 一般认为花
色素C3和C5位上的糖基化修饰是早于酰基化修饰
的, 但是当花色素3-O-糖苷上存在酰基化修饰时
(如p-香豆酰), 花色素C5位羟基上的糖基化修饰就
可能在酰基化之后进行(Yamazaki等1999; Luo等
2007)。此外, 除去图3中提到的主要修饰途径, 拟
南芥中花青素的修饰还存在着其他途径 , 否则
A1、A2、A4、A6和A8这几种花青素将不可能
被检测到, 这也符合Fraser等(2007)和Yonekura-
Sakakibara等(2012)提出的网格式修饰途径。这些
修饰途径的多样性大大丰富了花青素的种类。
4.2 修饰酶的多样性
修饰基团的供体和受体, 及修饰位置的不同
决定了参与花青素修饰的酶也必须具有多样性。
上文中提到催化相同酰基底物的BAHD家族的酰
基转移酶可能是独立进化的。例如, 一串红(Salvia
splendens)中被鉴定到的2个酰基转移酶能够分别
将丙二酰基连接到矢车菊素5-O-葡萄糖苷的糖基
C4和C6位羟基上, 但他们在系统发育上是独立的,
属于BAHD家族中进化关系较远的2个亚家族(Su-
zuki等2001, 2004b)。因此, 即使酰基供体和受体
都一样, 但只要修饰位置不一样, 就需要不同的酰
植物生理学报108
基转移酶来执行功能。在拟南芥中, p-香豆酰基化
修饰发生在花色素3-O-糖苷糖基上, 但At3AT1、
At3AT2与其他物种中已鉴定到的作用于花色素
3-O-糖苷糖基上的酰基转移酶分别属于BAHD家
族中进化关系较远的2个亚家族; 拟南芥中丙二酰
基化修饰的At5MAT与其他物种已鉴定到的作用
于花色素3或5-O-糖苷糖基上的丙二酰基转移酶也
都分别属于BAHD家族中的2个亚家族(Luo等
2007)。而负责芥子酰基化的酰基转移酶SCPL10
则属于SCPL家族。不同于BAHD家族, SCPL家族
成员往往通过用酰基-糖为下游代谢途径提供活化
的酰基供体, 而BAHD家族则利用酰基-CoA提供
活化的酰基供体(Fraser等2007)。目前关于SCPL
家族酰基转移酶的研究较少。
功能类似的类黄酮糖基转移酶UGTs之间有
时相似性并不高。从进化上讲, 该类酶对糖基受
体的区域专一性(regiospecificity)在单子叶植物
(monocots)和双子叶植物(dicots)分化之前就已经
决定, 而对于糖基供体的确定则在之后发生(Yoneku-
ra-Sakakibara等2012)。例如拟南芥中UGT75C1与
UGT78D2都以UDP-葡萄糖为糖基供体, 以矢车菊
素为糖基受体; 而UGT78D1和UGT78D2分别以
UDP-鼠李糖和UDP-葡萄糖为糖基供体, 以黄酮
醇和矢车菊素为糖基受体, 它们催化反应的糖基
供体和受体均不一样。但是从序列相似性上 ,
UGT78D1与UGT78D2之间的相似性比后者与
UGT75C1之间的更高, 原因就在与UGT78D1和
UGT78D2一样催化C3位上的糖基化, 而UGT75C1
则催化C5位的糖基化(Tohge等2005)。
但这种规律在类黄酮糖基转移酶GGTs中并
不存在。GGTs是一类能够在已经被糖基化的类黄
酮物质的糖基上再进行二级糖基修饰的糖基转移
酶, 属于UGTs中的亚家族, 例如拟南芥中的木糖转
移酶UGT79B1。猕猴桃(Actinidia chinensis)中有
一个能够催化花色素3-O-半乳糖苷糖基C2位羟基
木糖基化修饰的酶AcA3Ga2′′XylT, 它和UGT79B1
(AtA3G2′′XylT)之间的序列相似性(48%)低于它和
圆叶牵牛(Ipomoea purpurea)中一个能够催化花色
素3-O-葡萄糖苷糖基C2位羟基葡萄糖基化修饰的
酶IpA3G2′′GluT之间的序列相似性(63%)。通过比
较这3个酶的PSPG基序后发现, UGT79B1中该基
序与IpA3G2′′GluT中该基序的相似性(68%)要高于
前者与AcA3Ga2′′XylT中该基序的相似性(59%),
尽管UGT79B1和AcA3Ga2′′XylT均以UDP-木糖作
为糖基供体(Yonekura-Sakakibara等2012)。由于同
源性差, 拟南芥中迄今还没有鉴定到催化p-香豆酰
基上葡萄糖基化修饰的酶。对GGTs和其他UGTs
之间的序列比对结果表明GGTs中最保守的氨基酸
为第16位的甲硫氨酸, 这在其他已知的UGTs中同
样保守。鉴于植物UGTs (包括GGTs)之间的序列
相似性较低, 相关研究人员认为它们的氨基酸序
列中必有一些重要的位点能够对其底物的识别起
到决定性作用(Yonekura-Sakakibara等2012)。目
前, 一些UGTs [如葡萄(Vitis vinifera)中的VvGT1,
苜蓿(Medicago truncatula)中的UGT71G1和UGT85H2]
的晶体结构已经得到解析(Shao等2005; Offen等
2006; Li等2007)。对雏菊(Bellis perennis)中一个糖
基转移酶BpA3G2′′GlcAT进行氨基酸位点突变研
究后发现第123位的天冬酰胺和第152位的天冬氨
酸对于该GGT识别底物矢车菊素3-O-葡萄糖苷是
非常重要的, 而这两个位点在其他GGTs中并不保
守(Osmani等2008)。因此, 这些修饰酶的晶体结构
解析将是今后的一个研究方向。
5 展望
花青素的种类决定于其合成后的修饰过程,
并在不同物种之间存在着显著差异, 这与花青素合
成主干途径以及调控机理的保守性形成了鲜明的
对比。因此, 花青素合成后的修饰将成为今后代谢
研究中重点之一。目前, 人们对于花青素修饰途径
的认知还处于初级阶段。除在模式植物拟南芥中
花青素的修饰途径被较系统的研究外, 其他植物
中的研究还很少。开展花青素修饰途径的研究对
于完善植物体内花青素代谢途径具有非常重要的
生物学意义, 也可为观赏植物中花色的改造、观
赏价值的提升, 以及为果蔬品质改良等提供重要
理论基础。另外, 花青素修饰酶晶体结构解析将
为人们了解复杂的修饰过程提供重要信息。
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