植物的新陈代谢对花色素的影响.doc

植物的新陈代谢对花色素的影响摘要：通过蓝色花植物花色素的结构和化学组成,综述了它们的着色机理,并分为两种类型.即第一类是酰化花色素苷,它们遵守分子内辅助着色反应机理;另一类是酰化花色素苷与辅助色素以分子间辅助着色方式而形成的复合花色素,这类花色素经常包含金属离子参与的螯合反应.并从生物化学代谢途径探讨了蓝色花植物的进化.关键词：蓝色花；花色苷,酰化；辅助着色；金属；进化蓝色花植物总是出现在草本类群中.根据Gottlieb1的统计,全世界蓝色花植物的种数为25 000至30 000种,约是地球上热带和温带地区所有被子植物种数的10%,如果忽略零星出现在个别科属的种,它们相对集中地分布在53科的372属中,约占被子植物总科数的1/62-4.蓝色花植物花色素具有独特的化学结构,化学家对它们进行了深入研究,从而诞生了花色学领域中有关蓝色花植物花色素着色机理的研究热潮,这种热潮在解决花色学理论问题的同时也引导并推动了蓝色花植物分子生物学育种5,6和蓝色花植物进化等学科的发展.1蓝色花的着色机理常见蓝色花植物花色素结构与组成详见表1.由表1可知,常见蓝色花花色素的结构和色素组成分为两种类型:一类是花色素苷与有机酸通过酰化形成的,故这类色素通称为酰化花色素苷,另一类是酰化后的花色素苷与辅助色素(有时也与金属元素)相互作用形成结构更复杂的复合花色素.以下分别介绍它们的着色机理.11花色苷与有机酸形成酰化花色素111花色素母体与糖结合成苷表1所列出的30种蓝色花植物花色素的色素母体有24种是花翠素,因此,花瓣表皮液胞中花翠素的存在与否往往是判别蓝色花植物出现的一个条件36.以花青素(例如存在于绿绒蒿属植物的蓝色花中)、甲基花青素(或称芍药素-存在于裂叶牵牛和天堂蓝牵牛蓝色花中)、3甲花翠素(或称矮牵牛素)、锦葵色素(存在于鸢尾属植物蓝色花中)为色素母体的蓝色花植物也广泛存在,但数量远远不及以花翠素为色素母体的蓝色花植物.花色素的结构以3,5,7-三羟基-2-苯基苯(骈)吡喃为骨架(见图1),根据B环取代基(即羟基或甲氧基)的数量和位置,常见蓝色花植物花色素B环的结构见图2.花翠素等色素母体在3、5、7等位置与糖结合后形成糖苷,结合糖的种类有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、芸香二糖、龙胆二糖、槐二糖等,因此,花色素苷相应地被分为单糖苷、二糖苷或三糖苷.本文不把花色苷的类型做为讨论重点,不多加以论述.112花色苷与有机酸形成酰化花色苷,参与分子内辅助着色或分子间辅助着色反应有机酸如p-香豆酸、咖啡酸和琥珀酸等通常与花色苷的3、5、7或3位上的糖结合,形成单酰、二酰或多酰花色素苷.表1中30种蓝色花植物花色素有27种是酰化花色素.可见,酰化是蓝色花着色机理的重要步骤,因此,酰化过程在蓝色花的着色机理中极为重要.笔者对以下几种植物的色素分析其酰化类型.裂叶牵牛(Pharbitis nil)图3表示出裂叶牵牛蓝花色素在芍药苷3位糖上与1分子的反式咖啡酸发生酰化的结果.马氏龙胆(Gentiana makino)图4所示的马氏龙胆蓝花色素含有2分子咖啡酸,分别与花翠素5和3位上的葡萄糖进行酰化,是典型的二酰花色素苷,它在中性或弱酸性介质中非常稳定,但处在同样条件下的非酰化花色素却很快会失色.桔梗(Platycodon grandiflorum)土丁桂(Evolvulus pilosuscv. Blue Daze)土丁桂的蓝花色素结构从非酰化的3,5-二葡萄糖花翠苷逐步开始酰化,经过3,5-二酰葡萄糖基花翠苷, 3-p-香豆酰葡萄糖基-5-琥珀酰葡萄糖基花翠苷和3-葡萄糖基咖啡酰糖基-5-葡萄糖基花翠苷,最后形式为3-葡萄糖基咖啡酰葡萄糖基咖啡酰葡萄糖-5-琥珀酰葡萄糖苷(见图6).瓜叶菊(Senecio cruentus)瓜叶菊的蓝色花色素(图7)是由3分子咖啡酸和1分子琥珀酸参与酰化成为最复杂的酰化花色素.天堂蓝牵牛(Pharbitis purpurea)天堂蓝牵牛花的色素是芍药苷与3分子咖啡酸酰化形成的,是迄今报道的分子量最大的酰化花色素苷.蝶豆(Clitoria ternatea)蝶豆的蓝色花色素(ternatins)结构虽然目前不完全清楚,但已探知肉桂酸和琥珀酸在花翠素的3、3和5位糖进行酰化.鸭跖草(Commelina mu-ni)和大花鸭跖草(C.communisvar.hortensis)复合花色素鸭跖草苷(Delphinidin glycosides, 3-(p-coumarylglucoside)-5-malonylglucoside)也是通过花翠苷与p-香豆酸与琥珀酸两种有机酸酰化形成的.风信子(Hyacinthoides non-scripta)风信子的蓝色花同样具有类似鸭跖草苷的酰化机理.113花色素显色的亲水-憎水理论为解释酰化过程在蓝色花形成中的作用机理,图8的方程式介绍了花色素显色的亲水-憎水理论.方程式表示了在中性或弱酸性介质中,花翠素往往被水化成无色的假基形式.如果想保护有色的离子和有色无水基形式结构的稳定则需要通过对亲水性正离子(氧嗡离子)进行保护,使之不受水化的影响而失色,这种保护也可以通过与金属离子的螯合而实现.114分子内辅助着色理论保护自然状态下花色素正离子不因受水化反应而失色的方式之一是分子内辅助着色10,37,38,即辅助着色效应是通过色素分子本身部分结构产生的.分子内辅助着色机理的典型模式是一种被称为“三明治”的构型.这种构型是由Brouillard为解释天堂蓝牵牛花色素结构的超常稳定性而提出来的,它的内容是:天堂蓝花色素含有6分子的葡萄糖基和3分子的咖啡酸,它们分别存在色素母体的周围,是迄今发现得分子量最大的酰化花色素.通过对天堂蓝花色素核Overhauser效应的测试,证实了天堂蓝的花色素离子采用了一种折叠构型-3分子的咖啡酰酯基中有两个靠近了吡咯环,分别堆积在吡咯环的上部和下部,保护它不受亲核水化反应的影响而失色.这种在离子和吡咯环两侧均有酰基存在的、在水性介质中可以非常有效地防止失色的构型就是所谓的“三明治”构型.天堂蓝花色素的分子是花色素“三明治”构型的第一个直接证明.然而,这方面研究完善的结果却体现在对裂叶牵牛(Pharbitis nil )蓝色花单酰花色素的分析测试上,并且它的动力学方程式已经被提出.龙胆蓝色素(gentiodelphinin)等多酰基花色素的分子内辅助着色机理的堆积构型介绍如下:在酸性介质(如甲醇)中,咖啡酸只有与B环的葡萄糖进行酰化,才会发生它们在花色素核附近平行堆积的反应:这说明任何1个有机酸分子酰化部位在发生分子内辅助着色反应时以及对蓝色花形成过程中的作用是不同的.事实上,无论是酰基的性质,还是有机酸与糖连接的位置,以及糖的种类等都对分子内辅助着色有所影响.桔梗色素的结构也体现出与龙胆蓝花色素同样的特性.又如,从开纯蓝色花的瓜叶菊栽培品种中分离出来的cinerarin,因为含有4分子有机酸(即具有4个酰化部位),故成为迄今发现得结构最为复杂的酰化花色素.又如,从蝶豆中分离出的ternatins也因为分子内辅助着色的原因而使其稳定性超过了桔梗素和龙胆蓝色素.因此,分子内辅助着色机理具有优先性原则,一旦分子内辅助着色反应发生,分子间辅助着色很少发生或不发生.12酰化花色素与辅助色素或金属发生反应,形成复合花色素121与辅助色素的反应保护自然状态下花色素不受水化反应影响,以免形成无色假基形式的另一种方式是分子间辅助着色39反应,是花色苷(通常是酰化花色素苷)与辅助色素(黄酮或多酚类化合物)之间所产生的一种保护花色素不受水化反应袭击而失色的反应.这时,辅助色素分子与母体色素(或称发色团)分子以共价键结合,形成一定的空间构型,从而保护正离子不因受水化反应袭击而失色.例如,鸭跖草和大花鸭跖草的花色素-鸭跖草苷就由以下4部分组成:琥珀酰鸭跖草苷;鸭跖草黄素(6-碳-吡喃葡萄糖莞花素或当药黄素);镁;铁.它们的分子比是6611,而琥珀酰鸭跖草苷与镁(或许还有铁)的配价键可能是蓝色显现的关键部位,鸭跖草黄素则有助于这种蓝颜色的稳定.遵循同样原理,矢车菊花青苷不仅有琥珀酸参与,而且黄烷酮(芹菜配基7-葡糖苷酸-4-丙二酰基糖苷)、铁和镁也成为其组成部分.加州丁香花的蓝色缘于两种新发现的酰化花色素即3-氧-芸香二糖-7-氧-(6-氧-p-香豆酰葡萄糖)3-氧-葡萄糖花翠苷和3-氧-芸香二糖-7,3-二-氧-(6-氧-p-香豆酰葡萄糖)花翠苷与一种黄酮醇iso-kaempferol 3-O-xylosyl-(12)-rhamnoside之间发生的分子间辅助着色反应,而且它们之间这种辅助着色反应非常专一.从天蓝色喜马拉雅罂粟(Meconopsis grandis)花中分离的绿绒蒿花青苷,以花青苷为色素母体,琥珀酸参与酰化,参与分子间辅助着色的两种辅助色素可能分别是堪非醇3-氧-(6-氧-D-吡喃葡萄糖基)-D-吡喃葡萄糖3-O-(6-O-D-glucopyranosyl)-D-glu-copyranoside和堪非醇3-氧-(6-氧-D-吡喃葡萄糖基)-D-吡喃半乳糖Kaempferol Kaempferol3-O-( 6-O-D-glucopyranosyl )-D-ga-lactopyranoside.122金属元素参与蓝色花色素的构成关于含金属元素的蓝色花色素,研究得最多的是鸭跖草苷.对金属花色素曾经进行过透彻研究的另一个例子是蓝色大八仙花,大八仙花在相当多的情况下仅开粉色花,但在有些地区可以开蓝色或介于蓝粉二种颜色的花.它的蓝化,是因为花翠素-3-葡萄糖苷经咖啡酸和p-香豆酸的酰化以及与铝的螯合反应形成的,有时也通过与4,5,7-三羟基黄酮糖苷进行分子间辅助着色而形成. Harborne曾就蓝色花中含有金属元素这一事实做过专门论述,他指出:花色素与金属以及与花瓣液胞中的黄烷酮化合物之间的反应被认为是蓝色花产生的原因.但金属离子的作用方式则有所争议:例如,大八仙花蓝花色素长期被认为仅仅是由花翠素3-葡萄糖苷与铝作用形成的,但后来,Takeda却证实它是由花翠素3-葡萄糖苷、铝和3-咖啡酸共同作用形成的,单独铝的作用不足以形成稳定的蓝色复合物.铝可能与有机酸邻二羟基的共轭反应则起到了稳定色素母体与有机酸酯基的作用.另外一种说法认为:蓝色金属花色素形成的首要条件是在色素母体B环含有自由儿茶酚(即邻苯二酚)基团,否则不会发生与金属离子的螯合反应.这一点可以通过琥珀酰鸭跖草苷以及与之结构相似的母体色素(如Violanin、Del-phanin和Shisonin )与鸭跖草黄素(flavocommelinin)以及镁、锰、锌、镉、镍等金属相继合成蓝色金属复合物的研究得到证实40.而且,模拟合成实验发现:并不是所有的金属都能够与花色素形成有色的螯合物.植物组织中大量存在的金属钙、钾、镁等对大八仙花蓝色的形成就没有作用.因此,能与花色素B环参与螯合反应的金属种类就受到限制.另外一种理论是:花色素与金属之间或许还存在着不与B环儿茶酚核发生的反应,这种说法的根据来自于鸭跖草苷金属镁的作用.人们对镁元素在蓝色花形成中的必要性产生了疑问,所以通过利用鸭