【《类胡萝卜素研究进展文献综述》4200字】

类胡萝卜素研究进展文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u3628类胡萝卜素研究进展文献综述 1177341.1类胡萝卜素简述 1228081.2植物类胡萝卜素的生物合成 2305791.3植物类胡萝卜素代谢调控的研究 41.1类胡萝卜素简述类胡萝卜素是自然界存在的一类天然色素的总称，是含有多个共轭双键的萜类物质。类胡萝卜素的基本骨架是由8个首尾相连的异戊二烯单位连接而成的，其所呈现的颜色也会随着共轭双键数目的变化而变化，共轭双键数目越多，颜色越趋近于红色(王贵元，2007)。目前，自然界中已经有800多种类胡萝卜素被发现。根据组成其化学结构的元素不同，可以分为胡萝卜素和叶黄素两类，胡萝卜素中只含有C、H两种元素，如α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和番茄红素等，而叶黄素中含有C、H、O三种元素，可以形成羧基、羟基、甲氧基、酮基等官能团，如叶黄素和虾青素等（图1-1）。图1-1常见的类胡萝卜素结构式注：A:八氢番茄红素;B:番茄红素;C:α-胡萝卜素;D:β-胡萝卜素;E:叶黄素;F:玉米黄素;G:环玉米黄素;H:堇菜黄素Figure1-1StructuralformulasofcommoncarotenoidsNote：A:Phytoene;B:Lycopene;C:α-Carotene;D:β-Carotene;E:Lutein;F:Zeaxanthin;G:Antheraxanthin;H:Violaxanthin类胡萝卜素种类繁多，分布广泛，在高等植物、微生物、藻类中均有分布。类胡萝卜素对于人体和动植物都具有十分重要的作用（Estebanetal.,2015）。对于人和动物而言，类胡萝卜素是抗氧化剂，可以激活免疫系统，预防心血管疾病、癌症等多种疾病；维生素A是人类必需的膳食营养，但是人体却无法合成，只能通过类胡萝卜素合成（范立梅，2001）。除此之外，类胡萝卜素还是植物光合系统和抗氧化系统的主要组成成分，它可以作为光合作用的辅助色素，起着吸收传递电子的作用，同时淬灭过剩的光能，保证光合作用的顺利进行；清除活性氧自由基，保护植物细胞；作为光受体，参与植物的光形态建成，保护植物免受光氧化伤害（Houetal.,2016;Rameletal.,2013;Zhouetal.,2015）；还是植物激素脱落酸（Abscisciacid，ABA）和独脚金内酯（strigolactone，SL）的合成前体(Khoslaetal.,2016)；类胡萝卜素还能使植物的花、果实呈现红色、橙色等。1.2植物类胡萝卜素的生物合成在植物体中，类胡萝卜素的生物合成和储存主要在质体中。类胡萝卜素的生物合成起源于两种异戊二烯异构体，即异戊烯基二磷酸（IPP）及其烯丙异构体二甲基烯丙基二磷酸酯(DMAPP)（Rodriguez-Concepcion,2010）。生物体内有两条途径可合成IPP，即存在于细胞质的甲羟戊酸途径（MVA）和质体中的甲基赤藓糖醇途径（MEP）。在植物体中，类胡萝卜素的合成是在质体中通过MEP途径合成IPP的（Rodriguez-Concepcion,2002;Eisenreichetal.,2004）。在MEP途径中，以甘油醛3-磷酸（glyceraldehyde3-phosphate）和丙酮酸（pyruvate）为初始底物，在1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）和5-磷酸脱氧木酮糖还原异构酶（DXR）的催化下，生成IPP与DMAPP。研究表明，DXS与DXR在类胡萝卜素生物合成的通量调控中发挥重要作用。DXS和DXR在拟南芥幼苗中的过表达增加类胡萝卜素的产生，而IPP和DMAPP可以负反馈调节其活性。IPP与DMAPP随后在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPPS）的作用下，经过缩合反应，生成类胡萝卜素前体—牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）（Ghirardoetal.,2014;刁卫楠，2021）。在八氢番茄红素合成酶（PSY）的作用下，2分子的GGPP形成第一种类胡萝卜素—八氢番茄红素（15-cis-phytoene）。在类胡萝卜素的生物合成中，PSY被认为是这一途径的限速酶。小麦、玉米、水稻等禾谷类作物中有3个PSY基因（Dibarietal.,2012;Lietal.,2008a,2008b;Welschetal.,2008），胡萝卜（Justetal.,2007）和木薯（Arangoetal.,2010）中有2个PSY基因，拟南芥中仅有1个PSY基因。八氢番茄红素在八氢番茄红素脱氢酶（PDS）和ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）两种脱氢酶以及类胡萝卜素异构酶（CRTISO）的作用下，生成全反式番茄红素（all-trans-lycopene）。然而，在细菌中，CrtI酶可直接以八氢番茄红素为底物，催化形成全反式番茄红素（徐昌杰，2000；Nisaretal.,2015）。番茄红素的环化是植物体内类胡萝卜素代谢途径的一个重要分支点，可形成两条途径。其中一条途径为番茄红素在番茄红素β-环化酶（β-LCY）的作用下，两个末端均形成β-环，生成β-胡萝卜素；另一条途径为番茄红素ε-环化酶（ε-LCY）催化番茄红素的一端形成ε-环，生成δ-胡萝卜素，随后在β-LCY的作用下，在其另一个末端形成β-环，生成α-胡萝卜素。在大多数植物和藻类中，含有两个ε-环的类胡萝卜素并不常见。从八氢番茄红素到α-胡萝卜素和β-胡萝卜素，都只含有C、H两种元素，统称为胡萝卜素（王紫璇，2021;Sunetal.,2018）。从胡萝卜素类形成叶黄素类，需要在胡萝卜素分子中引入甲氧基、酮基、羟基和酯键等官能团。α-胡萝卜素在β-羟化酶（β-OHase）和ε-羟化酶（ε-OHase）的作用下，经过两次生成羟基化反应，生成叶黄素（lutein）。β-胡萝卜素在β-羟化酶的催化下生成β-隐黄素（β-cryptoxanthin），进而形成玉米黄素（zeaxanthin）。接着，玉米黄素环氧化酶（ZEP）催化两次羟基化反应，生成花药黄质（antheraxanthin）和紫黄质（violaxanthin）。在植物中，由ZEP催化的反应可以被逆转，紫黄素脱环氧酶(VDE)是一种与ZEP功能相反的酶，它可以催化紫黄质形成花药黄质，进而形成玉米黄素，这个过程又被称为叶黄素循环（樊宝莲，2021;Sunetal.,2018）。紫黄质又在新黄素合酶（NXS）的催化下生成新黄素（neoxanthin），这是类胡萝卜素生物合成途径的最后一步。在此途径中生成的紫黄质和新黄素，经9-顺式环氧类胡萝卜素单加氧酶（NCED）催化可形成脱落酸（ABA）。类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCDs）通过氧化裂解类胡萝卜素，形成独脚金内酯、挥发物等物质（Neumanetal.,2014）（图1-2）。图1-2高等植物类胡萝卜素的生物合成途径（Nisaretal，2015）Figure1-2Biosyntheticpathwaysofcarotenoidsinhigherplants（Nisaretal，2015）1.3植物类胡萝卜素代谢调控的研究尽管植物类胡萝卜素生物合成的代谢途径已经得到广泛研究，但是其调控机制目前仍不是很明确。类胡萝卜素的代谢调控是一个极其复杂的过程，会受到光照、转录因子、基因表达、质体发育和激素等多种因素的影响。质体是植物类胡萝卜素生物合成和贮存的场所，具有多种存在类型：前质体（proplastid）、淀粉质体（amyloplast）、白化体（etioplast）、叶绿体（chloroplast）、有色体（chromoplast），其中前质体不具有类胡萝卜素合成能力（Jarvisetal.,2013）。虽然前质体不具备类胡萝卜素合成能力，但是其他几种质体都起源于前质体。淀粉质体多存在于种子、根和块茎中，类胡萝卜素含量低，主要含有叶黄素类；白化体是植物叶绿体发育的中间阶段，主要含叶黄素、紫黄质和叶绿素原；叶绿体是植物进行光合作用的场所，其类囊体膜中含有大量类胡萝卜素，以辅助光合组作用的进行；有色体中积累大量的类胡萝卜素，存在于花、果实和蔬菜中。由于这些质体具有不同的形态和功能，因此他们合成与储存类胡萝卜素的能力也有很大差别（Sunetal.,2018；Lietal.,2016）（图1-3）。图1-3类胡萝卜素积累与储存的质体类型（Sunetal，2018）Figure1-3Plastidtypesandsequestrationstructuresinrelationtocarotenoidaccumulation（Sunetal，2018）转录因子(transcriptionfactor,TF)可以通过特异性结合基因启动子区的顺式作用元件，启动并调控基因表达，进而影响整个基因表达网络。转录因子对类胡萝卜素合成的调控作用，主要是通过影响类胡萝卜素合成途径中的酶基因表达来实现（宋小艳，2015）。目前已发现有多种转录因子可以直接或间接参与类胡萝卜素的生物合成与代谢，主要有NAC家族、AP2/ER家族、MYB家族、BBX家族、MADS-box家族等。其中，PSY基因受到多种转录因子的正向调控，包括转录因子MAD-RIN、SlCMB1、TAGL1、SlMBP15、FUL1、FUL2和SlNAC4；同时，它也受到转录因子MADS1、SlMBP8、SlFYFL、RAP2.2、SlAP2a、PIF、SlAN2和SlNAC1的反向调控（朱运钦，2016）。在拟南芥发育过程中，光敏色素相互作用因子PIFs（phytochrome-interactingfactors）能直接结合到PSY基因启动子的G-box元件上，抑制PSY基因的表达，负调控白化体中类胡萝卜素的生物合成（付佳玲，2020）。在番茄中的研究也表明，PIF1a能够与PSY1基因启动子中PBE-box顺式作用元件结合，从而抑制PSY1基因的表达，抑制类胡萝卜素的合成（Toledo-Ortizetal.,2010）。RIN(Ripeninginhibitor)是MADS-box家族转录调控因子的成员，在调控植物营养生长、开花时间和花的发育等过程中具有重要作用。在番茄果实组织中，RIN通过与番茄PSY1基因的启动子相互作用来调节类胡萝卜素积累（Hanetal.,2016;方秋滢，2020）。PDS基因分别受到转录因子SlCMB1、SlMBP15的正向调控和SlMBP8、SlFYFL、RAP2.2和SlAN2的负调控；转录因子SlNAC4可以正调控LCYB和LCYE基因（樊宝莲，2021）。光是影响植物类胡萝卜素生物合成和代谢的重要环境因子。在拟南芥去黄化过程中，光照能促进子叶中的白化体向叶绿体转化，使MEP代谢途径中的几乎所有编码基因表达均上调，从而促使叶绿体中大量积累类胡萝卜素（卢素文，2017；朱运钦，2016）。葡萄柚的愈伤组织在光照条件下，PDS基因的表达受到抑制，使β-carotene和总类胡萝卜素的含量都明显下降（Gaoetal.,2011）。类胡萝卜素的积累也会受到光质的影响，在番茄果实转色期增加红光照射可以显著提高果实中番茄红素的含量，而远红光则会减弱红光处理对番茄红素的促进作用（吴圆圆，2020）。Ma等发现用LED红光处理离体培养的柑橘果皮，能够增强PSY、PDS、ZDS、LCYb1、LCYb2、β-胡萝卜素羟化酶基因(HYb)和玉米黄质环化酶基因(ZEP)的表达并且提高柑橘果皮中β-隐黄质的含量。光照强度还会影响叶黄素循环，在弱光或黑暗条件下，玉米黄素环氧化酶(ZEP)的活性较高，催化玉米黄素向紫黄质转化；而在强光下条件下，紫黄素脱环氧酶(VDE)有较高的活性，促进紫黄质向玉米黄素转化（李晓萌，2020）。乙烯(ET)对促进果实成熟以及类胡萝卜素积累具有重要作用，抑制果实内ET的合成能够阻碍果实的成熟和番茄红素的积累。在转基因番茄中，通过抑制ACS2(ACCSYNTHASE2)基因的表达可以减少果实中ET的合成，从而导致转基因番茄果实无法成熟，番茄红素含量也明显下降（Gaoetal.,2008）。脱落酸和生长素也能影响类胡萝卜素的积累。通过特异性地抑制番茄果实中ABA生物合成关键酶基因NCED1的表达，不仅抑制果实ABA的合成，也影响果实中番茄红素、β-胡萝卜素的积累（Sunetal.,2012）。对处于绿熟期的樱桃番茄喷施外源IAA，显著影响果实中类胡萝卜素的积累（李家寅，2017）。对于植物而言，类胡萝卜素的积累是其生物合成途径中各种酶基因协调表达的结果，通过修饰类胡萝卜素生物合成途径中各种酶基因的表达（过量表达或沉默表达）能够有效地调控类胡萝卜素的代谢。目前研究较多的有八氢番茄红素合成酶基因(PSY)、八氢番茄红素脱氢酶基因(PDS)、番茄红素β-环化酶基因(LCY-β)和番茄红素ε-环化酶基因(LCY-ε)。Maass等在拟南芥(Arabidopsisthaliana)种子的愈伤组织中过表达PSY基因，发现转基因拟南芥种子的愈伤组织中类胡萝卜素总含量增加10倍，而且类胡萝卜素的各组分含量也发生变化；野生型拟南芥种子愈伤组织中主要积累叶黄素，而转基因种子愈伤组织中积累的主要是β-胡萝卜素，其次是叶黄素。