番茄红素代谢及分子调控机理研究进展

摘 要：番茄红素广泛存在于各种植物中，它不仅是植物花、果实等形成红色的主要色素，也是对人体健康有益的一种类胡萝卜素。它在植物体内的合成及分解涉及许多中间物质，并且受到多种酶基因的调控，而这些中间物质也参与植物体内其他物质的合成代谢。目前围绕着番茄红素的生物合成以及合成途径中相关酶基因的研究越来越多，并且通过对关键酶基因的超量表达、RNA沉默已经获得了一些高番茄红素植株。综述了国内外关于番茄红素合成途径相关酶基因的研究、影响其生物合成的一些相关因素以及为提高植物中番茄红素含量而进行的一些基因工程方面的研究，以期为进一步转基因研究以及高番茄红素植物品种的选育提供思路。

关键词：番茄红素； 生物合成； 酶基因； 影响因素

中图分类号：S65 文献标志码：A 文章编号：1009-9980？穴2013？雪04-0697-09

植物色素的种类主要有生物碱类、花青素类、类胡萝卜素类等物质。生物碱类种类繁多，大都由不同的氨基酸或其直接衍生物合成而来。花青素是一类重要的水溶性天然植物色素，属于类黄酮物质，广泛存在于植物的花、叶、果实、果皮中。而类胡萝卜素类色素是一类脂溶性的色素，不溶于水，难溶于甲醇，易溶于乙醇、乙醚和氯仿等溶剂，是一类对人体有益的物质，番茄红素（Lycopene）是类胡萝卜素的一种，又称ψ-胡萝卜素，属于异戊二烯类化合物[1]。番茄红素作为一种功能性天然色素，具有淬灭活性氧、消除人体自由基、预防心脏病、减缓动脉粥样硬化、预防多种癌症、保护心血管、抗老化、保护皮肤等功能[2-6]。

1 番茄红素生物合成途径及相关酶基因的研究

1.1 番茄红素生物合成途径

番茄红素属于类胡萝卜素的一种，它是许多类胡萝卜素生物合成的中间体，经过环化可形成其他类胡萝卜素。近些年来，人们对番茄红素生物合成的认识取得了很大的进展[11-13]。4分子的异戊烯基焦磷酸（IPP）在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPS）的作用下缩合成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP），2分子的GGPP经八氢番茄红素合成酶（PSY）催化，在质体中缩合形成无色的八氢番茄红素，八氢番茄红素由八氢番茄红素脱氢酶（PDS）催化形成ζ-胡萝卜素，再由ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）连续催化形成粉红色的番茄红素，多顺式番茄红素在类胡萝卜素异构酶（CRTISO）的作用下形成全反式番茄红素。番茄红素的降解由番茄红素β环化酶LCYb和番茄红素α环化酶LCYe催化，形成β-胡萝卜素或α-胡萝卜素，进而降解合成叶黄素、玉米黄素、新黄质等其他类胡萝卜素。

1.2 调控番茄红素合成途径相关基因的研究

参与植物不同组织器官中番茄红素生物合成的酶基因具有多种功能。GGPP是植物体内类胡萝卜素、叶绿素、赤霉素、磷酸甘油醛、质体醌等多种物质的合成前体，GGPS在植物中多以家族的形式存在。在拟南芥中有5个具有功能的基因，它们表达的蛋白质存在于叶绿体、线粒体和内质网等亚细胞中，在不同的部位负责不同GGPP的合成[23]。在番茄中，已经克隆出LeGGPS1和LeGGPS2两个基因，LeGGPS1主要在叶中表达，LeGGPS2主要在花和果实中表达，并且在番茄果实成熟过程中对番茄红素的积累起重要作用[24]。PSY基因是控制番茄红素合成的一个限速酶基因，它控制着GGPP向八氢番茄红素的转化。在黄花龙胆中至少有2个PSY基因，PSYI基因在花中特异性表达[25]。目前已经有研究证明水稻中有3个PSY基因，其中PSY3与植物的抗逆性有关[26]。苹果中有4个PSY基因，并且在不同时期不同组织中它们的表达量也不同[27]。PDS、ZDS、CRTISO 3个基因共同作用将八氢番茄红素转化为全反式番茄红素。Giuliano等[28]从拟南芥中克隆了PDS、ZDS，生成的主要产物是原番茄红素，即顺式番茄红素。果实中番茄红素主要以反式番茄红素的形式存在，CRTISO基因具有将顺式番茄红素转化为反式番茄红素的功能。LCYb和LCYe是番茄红素分解的2个关键酶基因，研究表明LCYb位于辣椒第10号染色体上，催化番茄红素生成β-胡萝卜素，LCYb活性减弱会导致β-胡萝卜素及其下游产物的减少。LCYe位于辣椒第9号染色体上，LCYe的上调表达导致γ-胡萝卜素大量积累，并最终使得果实发育成橙色[29]。

1.3 果实发育过程中调控番茄红素代谢关键酶基因表达水平研究

不同物种间相关基因的研究已经较为深入，而同一物种不同性状或不同倍性间相关基因的表达情况研究尚少。研究表明西瓜不同瓤色品种以及同一品种不同染色体倍性材料（2x、3x、4x）番茄红素含量存在明显的差异，通过研究不同瓤色西瓜PSY、PDS、ZDS、CRTISO、LCYb、CHYB和ZEP酶基因的转录表达发现，淡黄瓤中未发现CRTISO表达，橙黄色瓤中CRTISO表达量较低，而其他基因在不同瓤色和组织中均有表达，但并未发现表达差异，西瓜番茄红素生物合成的酶基因表达可能存在转录后调控现象[34-37]。西瓜不同倍性间番茄红素含量均为M3x>M4x>M2x，袁平丽等[34，38]的研究表明PSY、LCYb 2个基因的表达量均是先增高后降低，不同倍性之间，基因的表达量也存在着明显的差异，多倍体中两个基因的表达量都要比二倍体的高。目前，番茄、西瓜等多种作物的全基因组测序都已经完成，这为转基因研究奠定了基础，也为番茄红素关键酶基因的研究提供了极好的平台。

1.4 番茄红素基因改良的研究

目前很多研究者都通过转基因的方法来增加果实中的番茄红素含量，而研究最多的是基因的超量表达和基因沉默（RNAi）。PSY是番茄红素生物合成途径的一个限速酶，而LCYb控制着番茄红素的分解，这2种基因目前主要应用于转基因研究。

1.4.1 基因超量表达 Zhang等[39]从柑橘中克隆了PSY，通过在大肠杆菌中异源表达证明了它的活性，将此基因转入植物中过量表达，果实中番茄红素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素的含量有显著的提高。Dharmapuri等[40]将LCYb基因和辣椒CHYB基因在番茄果实特异性启动子的驱动下导入番茄中，使转基因番茄中玉米黄质和β-隐黄质的含量增加100多倍，β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量也增加将近10倍，但是番茄红素的含量却减少一半。周文静[41]将红肉脐橙中LCYb基因转入到番茄果实中使LCYb超量表达后也发现，各种类胡萝卜素的含量均发生了显著的变化，β-胡萝卜素含量明显增加，而番茄红素积累减少。而在转基因的甘薯中，通过LCYe的下游调控可以增加类胡萝卜素的含量，而降低番茄红素含量[42]。