付博，梁俊陽，韓龍洋，張蒙蒙，李耀光，李林林，王靜

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州450002；2.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130033；3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450016；4.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

植物多酚是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的具有多元酚結(jié)構(gòu)的次生代謝物，主要在植物的根、葉、殼、果肉及種皮中，其含量僅次于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[1]。植物多酚種類繁多，多數(shù)由苯丙氨酸轉(zhuǎn)化而來，主要包括類黃酮、酚酸、姜黃素、木酚素、芪類化合物和單寧[2]。其中，類黃酮物質(zhì)又是植物次生代謝最主要的一類，被認(rèn)為是整個植物界中最大、分布最廣的一類植物成分，類黃酮物質(zhì)主要有花青素(紅色至紫色色素)、黃酮醇(無色至淡黃色色素)、黃烷醇(氧化后變?yōu)樽厣臒o色色素)和原花青素等[3]。當(dāng)植物遭受外界逆境脅迫時，植物體內(nèi)隨之積累大量類黃酮等多酚類物質(zhì)來抵御傷害。此外，大量研究表明，植物多酚具有抗氧化[4]、抗菌[5]、延緩皮膚衰老[6]、降低血糖、擴(kuò)張血管以及保護(hù)腦血管等作用[7]，還可以作為天然甜味、天然色素及天然的食品防腐劑等[5]。

光照是影響植物生長發(fā)育重要的環(huán)境因子之一，它以環(huán)境信號的形式影響植物的光合作用、生長發(fā)育[8]、形態(tài)結(jié)構(gòu)[9]、初生代謝、次生代謝[10]及其他生理特性[11]。光照對植物的影響主要體現(xiàn)在光質(zhì)、光照度及光周期3個方面。不同光質(zhì)(白光、紫外光、藍(lán)光、綠光、黃光、紅光和遠(yuǎn)紅光等)[12]及不同的白光照射[13]直接影響植物的生長發(fā)育和結(jié)構(gòu)特征。例如，藍(lán)光有利于葉綠體的發(fā)育，紅、藍(lán)、綠復(fù)合光有利于葉面積的擴(kuò)展，而紅光更有利于光合產(chǎn)物的積累，不同光質(zhì)對不同植物、不同組織器官葉綠素積累的影響不同[12]。世界上絕大多數(shù)植物擁有自己的生物節(jié)律鐘，光周期的改變影響植物開花及次生代謝等[8]，所以光因素對提高植物體內(nèi)重要次生代謝產(chǎn)物的影響不可忽視[14]。

1 光照對植物多酚類物質(zhì)代謝調(diào)控研究現(xiàn)狀分析

1.1 光周期對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響

光周期影響植物的開花時間、生長發(fā)育和品質(zhì)形成[15]。一些花中花青素的生物合成受光周期調(diào)控的影響。不同紅藍(lán)光模式光照周期對紫葉生菜的研究中，發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)光交替和交錯照射均顯著增加了生菜花青素和總酚的含量[16]。研究表明，光照可以增加花青素的濃度，尤其是果皮中的花青素濃度[17-18]。

短光照紫外線UV-B的處理，對提高大豆芽苗菜下胚軸中總酚類物質(zhì)積累是有利的[19]。每天用UV-B照射8 h處理下胚軸，發(fā)現(xiàn)下胚軸中總酚含量均高于黑暗培養(yǎng)和其他光處理[20]。與光周期為12 h/12 h(晝/夜)光照12 d相比，光周期為20 h/8 h(晝/夜)光照4 d的條件下，高紅光比例光質(zhì)顯著提高了綠葉生菜總酚物質(zhì)含量[21]；隨著紅光比例的增加，紫葉生菜和綠葉生菜總酚相對含量會有所降低[22]。在研究不同光周期對苦蕎芽菜的影響，發(fā)現(xiàn)芽菜花青素含量在光周期12 h/12 h(晝/夜)萌發(fā)2 d時最高，蘆丁含量在光周期16 h/8 h(晝/夜)處理4 d時最高[23]。

芥藍(lán)(BrassicaalboglabraL.)在不同的光周期照射下，隨著光照時長時間的增加，芥藍(lán)多酚類物質(zhì)含量也會增加；并且不同的光質(zhì)下，白光長光照比紅藍(lán)光光照條件更有利于芥藍(lán)多酚類物質(zhì)含量的積累[24]。24 h光照時間的處理，生菜當(dāng)中的可溶性糖和總酚的含量有顯著提高[25]。還有研究表明，獨(dú)行菜(LepidiumsativumL.)在24 h光照時間長度下，總黃酮產(chǎn)量相比較其他處理要高[26]。SONG等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在1/4霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，生菜多酚物質(zhì)的含量隨光周期的增加先上升后下降，而在1/2和3/4霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)下，隨著光周期的延長，多酚物質(zhì)含量均呈下降趨勢。在對蕹菜的研究中，與其他光周期處理相比,光周期為12 h/12 h(晝/夜)的處理顯著提高了蕹菜可溶性蛋白、Vc、總酚等品質(zhì)顯著增高[28]。在光周期為14 h/10 h(晝/夜)時，人參菜葉中的類黃酮物質(zhì)、總酚及游離的氨基酸含量最高，品質(zhì)最佳[15]。

綜合研究發(fā)現(xiàn)，光周期對植物多酚的含量具有顯著的影響。對于不同植物，適宜多酚類化合物的積累的光周期是不同的；對于同種植物，不同的光質(zhì)條件下光周期也會影響植物多酚的積累。

1.2 光照度對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響

光照度不僅影響植物的光合作用及生長發(fā)育，也影響植物體內(nèi)酚酸等次級代謝產(chǎn)物的合成[29-30]。研究表明，東北紅豆杉的幼苗隨著光照度的增大，類黃酮指數(shù)和花青素指數(shù)呈升高趨勢[31]。光照度增大對植物體內(nèi)黃酮類化合物的積累是有利的[32]，甚至可以改變異黃酮的組成[33]。LIANG等[34]用遮陰方法研究光照度對陰生植物角質(zhì)羊草淫羊藿中幾種黃酮類成分的影響，發(fā)現(xiàn)其黃酮化合物總量在高光照度下較高。銀杏葉片在生長前期，光照度是影響類黃酮化合物含量的主要因素[35]。雪蓮的愈傷組織培養(yǎng)[36]與絞股藍(lán)細(xì)胞培養(yǎng)[37]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑暗條件下不利于黃酮類化合物的形成，表明光照度可以影響黃酮類物質(zhì)的形成。通過對蒲公英的不同遮陰處理，得出透光率在100%的自然光照度下，總黃酮含量最高[38]。根據(jù)NEUGART等[39]的研究，發(fā)現(xiàn)在溫室下強(qiáng)光和弱光條件下芥蘭(Brassicaoleraceavar.sabellica)中黃酮類化合物，在處理12周以后，強(qiáng)光處理總黃酮含量高于弱光。王加真等[40]研究發(fā)現(xiàn)，不同的光照度對植物多酚有不同的影響，光照度較高時顯著增加了茶葉的茶多酚含量，而較低光照度下茶葉氨基酸含量、多酚類物質(zhì)含量明顯下降。

研究表明，強(qiáng)光能正調(diào)控花青素生物合成途徑結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[41]。在對菊花的研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光照射后通過上調(diào)相關(guān)基因的表達(dá)量來促進(jìn)花青素苷的合成進(jìn)而提高花色深度；而遮光處理，對菊花的著色有抑制作用[42]。KOYAMA等[43]在研究赤霞葡萄珠果發(fā)育時發(fā)現(xiàn)，與遮陰葉片相比完全暴露在日光下的葡萄果黃酮醇的含量最高。在陽光直射下生長的越橘葉片中，除了原花青素外，其他所有類黃酮的含量都有所增加[44]。然而，對臺灣金線蓮的研究發(fā)現(xiàn)，總黃酮的含量隨光照度的增加而有所減少，光照度超過一定范圍后，黃酮的積累會受到抑制[45]。

綜上所述，光照度的高低會影響植物多酚的合成。大多數(shù)植物在高強(qiáng)光照射下，多酚的含量會增加；在弱光下，會降低多酚類物質(zhì)的含量。但有的植物組織中多酚的含量并不是隨著光照度的增加而無限提高，而是存在一個適宜的光照度。

1.3 光質(zhì)對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響

光質(zhì)是影響植物種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、庇蔭反應(yīng)、開花和衰老等生命活動和生理代謝反應(yīng)的重要調(diào)控因子[46]，一方面可作為能量物質(zhì)經(jīng)光合色素吸收而影響光合作用的光反應(yīng)階段，另一方面可被不同的光受體感知從而發(fā)揮光信號作用，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育及應(yīng)對逆境脅迫的抗性[47-48]。

目前已經(jīng)被鑒定主要有4種光受體，分別是光敏色素、隱花色素、向光素紫外光受體。接收光譜范圍從UV-B至遠(yuǎn)紅光波段[49-50]。光敏色素Pr形態(tài)吸收紅光轉(zhuǎn)換為具有生物活性的Pfr形態(tài)，而遠(yuǎn)紅光又可以使Pfr轉(zhuǎn)換回Pr。隱花色素和向光素均能夠感受藍(lán)光和UV-A[51]，并且隱花色素和向光素能調(diào)控植物的次生代謝，比如調(diào)節(jié)黃酮的代謝[52-53]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)aPHOT2基因過表達(dá)能夠增加草莓中花青素的含量[54]，而敲除FaPHOT2基因表達(dá)則降低花青素的含量。也有研究表明，隱花色素基因的超表達(dá)能夠促進(jìn)西紅柿中花青素的積累[52]。不同的光質(zhì)觸發(fā)不同的光受體，進(jìn)而會影響植物的生長發(fā)育、光合特性及次生代謝等。近年來，研究光質(zhì)對植物次生代謝的影響主要集中在紅光、遠(yuǎn)紅光、藍(lán)光和紫外光。

1.3.1 紅光與遠(yuǎn)紅光對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響 紅光和遠(yuǎn)紅光不同處理竹葉蘭后，竹葉蘭的類黃酮和總酚的含量降低[55]。在紅光處理下，刺五加葉中總黃酮含量上升，而莖中的總黃酮含量降低，根中的總黃酮含量沒有明顯變化[56]。紅光會抑制植物節(jié)間伸長，延遲花分化，但是花色素苷和葉綠素的含量增加[8]。茄皮在紅光照射下，類黃酮含量顯著高于其他處理[57]。在純紅光照射下，可以促進(jìn)紫背花葵中花青素的積累[58]。

不僅紅光對植物多酚的合成和積累有所影響，而且紅光(R)和遠(yuǎn)紅光(FR)的比值對植物的次生代謝產(chǎn)物也有影響。低比例E(R)∶E(FR)照射下，番茄花青素的合成受到嚴(yán)重抑制，但高E(R)∶E(FR)比例下生長的番茄花青素卻正常合成。ALOKAM等[59]研究了相同環(huán)境條件下不同E(R)∶E(FR)比值下長柄星天牛高山植物與草原植物花青素積累的差異，發(fā)現(xiàn)高E(R)∶E(FR)條件下草原植物的花青素水平顯著高于高山植物。在低E(R)∶E(FR)條件下，高山和草原植物的花青素含量基本相同。TEGELBERG等[60]利用高效液相色譜分析，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅光照射比紅光下白樺葉片酚酸含量高。紫外誘導(dǎo)的黃酮醇、山奈酚、槲皮素和綠原酸的生成未受E(R)∶E(FR)比例的影響。

1.3.2 藍(lán)光對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響 與紅光和遠(yuǎn)紅光相比，藍(lán)光使幼苗生長健壯，根系發(fā)達(dá)，生物量積累且有利于多酚化合物、黃酮類物質(zhì)、花色素苷等活性成分的積累[55,57,61]。郭阿瑾等[55]研究結(jié)果表明，藍(lán)光可促使竹葉蘭體內(nèi)抗氧化酶含量增加，提高活性氧清除能力和總抗氧化能力。LIU等[62]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理顯著增加豌豆幼苗中綠原酸、沒食子酸和阿魏酸等酸的含量。用藍(lán)光和綠光對青錢柳葉處理后酚類含量及抗氧化活性得到提升[63]。李亞華等[57]采用發(fā)光二極管來研究光質(zhì)對茄子品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理下，茄子果肉中花青素含量顯著的提高，但總黃酮和總酚產(chǎn)量顯著降低。藍(lán)光連續(xù)照射顯著提高大豆芽苗中黃酮類化合物的含量[64]。這些研究僅在光質(zhì)對總酚含量和抗氧化能力的變化層面，尚未涉及酚類物質(zhì)合成相關(guān)酶活性及其基因表達(dá)在光質(zhì)調(diào)控酚類物質(zhì)積累中的作用機(jī)制。

不同波長的藍(lán)光處理金線蓮(AnoectochilusformosanusHayata)，其次生代謝物黃酮化合物的含量均高于對照組[65]。付博[66]前期對煙草的研究表明，與紅光、遠(yuǎn)紅光和紫外處理相比，藍(lán)光照射下已鑒定的黃酮類物質(zhì)中黃酮甲基衍生物含量最高。生菜在遠(yuǎn)紅光和藍(lán)光分階段補(bǔ)光照射后，生菜的抗氧化能力、類黃酮含量、多酚含量比對照紅白光顯著增加[67]。在長光照處理下，在櫻桃蘿卜肉質(zhì)根中檢測到多酚含量均顯著高于同時期其他光質(zhì)光周期處理[68]。光質(zhì)對草莓不同基因型的花青素合成的研究中，發(fā)現(xiàn)在開花后25 d時，藍(lán)光處理的花青素含量均高于其他處理[69]。

XU等[70]發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光能夠促使草莓的花青素含量顯著增加，并且上調(diào)苯丙烷和黃酮代謝途徑相關(guān)酶的活性，包括G6PC (glucose-6 phosphatase)、PAL (phenylalanine ammonialyase)、C4H (cinnamate-4-hydroxylase)、4CL (4-coumarate:coenzyme A ligase)、CHS (chalcone synthase)、(flavanone 3-hydroxylase)、DFR (dihydroquercetin reductase)、ANS (anthocyanidin synthase)和UFGT (UDP-glucose :flavonol 3-O-glucosyltransferase)。此外，藍(lán)色LED光處理也能促進(jìn)葡萄果實(shí)花青素的積累[71]。

1.3.3 紫外光對植物多酚類物質(zhì)代謝的影響 UV-B輻射作為一種逆境因子，能夠促進(jìn)植物進(jìn)行次生代謝，刺激植物組織內(nèi)次生代謝物質(zhì)如酚類和類黃酮的累積[72]。酚類物質(zhì)能夠吸收UV-B，使葉片細(xì)胞能夠在紫外光穿透葉片表皮時將其過濾，到達(dá)葉片內(nèi)部的UV-B會減弱，這些是植物保護(hù)自身免受太陽光中高強(qiáng)度的紫外光傷害的重要機(jī)制[73]。植物在酚類化合物，尤其是類黃酮和羥基肉桂酸合成和積累方面對UV-B輻射表現(xiàn)出極強(qiáng)的抵御作用[74]。

許多研究表明，涉及紫外線輻射對次生代謝的影響，特別是類黃酮[75]。3種濕地植物葉片在UV-B照射下，類黃酮含量在高輻射處理下先增加后降低，低輻射處理持續(xù)增加，且高輻射處理顯著高于低輻射處理、低輻射處理顯著高于對照[76]。在紅藍(lán)照射條件下增加不同強(qiáng)度的UV-B照射，隨著紫外強(qiáng)度的增加，花青素和總酚含量顯著增加[77]。植物受到UV-B照射后，體內(nèi)的酚類化合物含量會上升，但是在長時間的照射下，會降低植物的光合作用，最終多酚類化合物又會降低[78]。

UV-B調(diào)控酚類物質(zhì)合成的基因大致可以分為兩大類：直接編碼酚類代謝途徑所需酶的結(jié)構(gòu)基因和能減弱或增強(qiáng)這些酶含量與活性的調(diào)控基因[79]。LIU等[80]發(fā)現(xiàn)UV-B照射能夠增加葡萄當(dāng)中黃酮醇含量，特別是槲皮素和山奈酚糖苷衍生物的含量。另外，在自然光中補(bǔ)充UV-B輻射可以增加油桃(Prunuspersica)表皮的花青素含量，并且上調(diào)類黃酮合成基因PpDFR和PpUFGT以及轉(zhuǎn)錄因子PpMYB10基因的表達(dá)[81]。而在缺少UV-B輻射的情況下葡萄黃酮含量顯著降低，并且降低了VvFLS4基因的表達(dá)水平。紫外線輻射對多酚類物質(zhì)的影響主要是由于紫外線可影響多酚底物合成途徑中關(guān)鍵酶活性和相關(guān)基因表達(dá)。UBI等[82]研究發(fā)現(xiàn)UV-B能夠提高蘋果果皮中查爾酮合酶、黃酮-3-羥化酶、二氫氟醇-4-還原酶、花青素合成酶和UDP-葡萄糖：黃酮-3-O-葡萄糖轉(zhuǎn)移酶關(guān)鍵基因的表達(dá)水平。UV-B 輻射提高了蘋果中類黃酮途徑中CHS、DFR、F3H、LDOX、UFGT基因的表達(dá)[82]，誘導(dǎo)黃酮類化合物代謝相關(guān)酶產(chǎn)生正響應(yīng)。

2 問題

綜合以上研究，發(fā)現(xiàn)大多研究是關(guān)注多酚類物質(zhì)生物合成受光質(zhì)、光照度及光周期的影響，很少有人研究光照對植物多酚類物質(zhì)代謝的調(diào)控機(jī)制。FU等[83]研究發(fā)現(xiàn)，高比例的UV-A和藍(lán)、紫光能夠促進(jìn)黃酮和黃酮糖苷衍生物在煙草(NicotianatabacumL.)中的積累，卻抑制黃酮甲基衍生物的積累。目前，已知光受體感受周圍光質(zhì)環(huán)境后通過COP1蛋白調(diào)控HY5的合成或降解；而HY5能夠激活R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子，R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)構(gòu)基因啟動子中順式作用元件(MRE)結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控黃酮合成基因和UFGT基因的轉(zhuǎn)錄。但是利用植物啟動子分析數(shù)據(jù)庫PLACE和plant CARE，分析黃酮甲基轉(zhuǎn)移酶基因 NtFOMT啟動子的順式作用元件，發(fā)現(xiàn)該啟動子中并不包含MYB的識別元件(MRE)。究竟哪些響應(yīng)光質(zhì)調(diào)控的順式作用元件參與光質(zhì)調(diào)控黃酮甲基化的反應(yīng)還不清楚，需要系統(tǒng)研究光照調(diào)控多酚類物質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制。

3 展望

光作為植物正常生長發(fā)育的環(huán)境因子，對多酚類物質(zhì)代謝起到非常重要的影響。植物在不同的光照條件下，可以調(diào)控多酚類物質(zhì)的合成和積累，而且不同光質(zhì)下，多酚類化合物合成的種類不同、其合成的含量也有所差別。多酚類物質(zhì)代謝途徑的調(diào)控是環(huán)境和基因共同作用的結(jié)果。大量研究表明，植物多酚類物質(zhì)的生物合成對光質(zhì)比較敏感，特別是波長較短的藍(lán)光和紫外光能夠上調(diào)黃酮生物合成基因的表達(dá)，并促進(jìn)黃酮化合物在植物體內(nèi)的積累。此外，光照調(diào)控植物次生代謝的機(jī)制的調(diào)控并不是簡單的轉(zhuǎn)錄因子及順式作用元件對光質(zhì)、光照度及光周期的響應(yīng)，而是植物激素參與其中的非常復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。因此，系統(tǒng)分析光照對多酚類物質(zhì)代謝調(diào)控途徑，為今后通過不同光質(zhì)、不同照射時間和強(qiáng)度改良調(diào)控多酚類物質(zhì)的合成基因，為來提高植物體內(nèi)多酚類物質(zhì)的含量奠定基礎(chǔ)。