植物类胡萝卜素生物合成及功能

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中国生物工程杂志 China Biotechnology
Vol. 31 No. 11 2011
diphosphate，IPP） 主要来自于 MEP 途径，其在 IPP 异构 酶作 用 下 生 成 二 甲 基 丙 烯 基 二 磷 酸 （ dimethylallyl diphosphate，DMAPP） 。MEP 途径主要在植物特有的细 胞器质体中进行，以 IPP 为中间产物，除了类胡萝卜素， 赤霉素、脱落酸、生 育 酚、叶 绿 素、叶 醌、质 体 醌 和 单 萜 等的合成也是通过该途径。
在胡萝卜素 分 子 中 引 入 羟 基、酮 基、醚 基、环 氧 基 等含氧基团，可以将其转化为其氧化衍生物叶黄素（ 类 胡萝卜素中的另一大类物质） 。常见的叶黄素主要有 α-隐黄 质、叶 黄 质、玉 米 黄 质、紫 黄 质、新 黄 质、辣 椒 红 素和虾青素等，都是常见的氧化衍生叶黄素，其类胡萝 卜素分子中引 入 了 羟 基、酮 基、醚 基、环 氧 基 等 含 氧 基 团，是类胡萝卜素中的另一大类物质，类胡萝卜素合成 途径如图 5 所示。
在八氢番茄红素合酶 （ phytoene synthase，PSY） 催 化下，两个 GGPP 分子缩合生成类胡萝卜素生物合成途 径中的第一个化合物： 无色的 15-顺式-八氢番茄红素。 在 植 物 中，由 八 氢 番 茄 红 素 脱 氢 酶 （ phytoene desaturase，PDS ） 和 ζ-胡 萝 卜 素 脱 氢 酶 （ ζ-carotene desaturase，ZDS） 催化 4 步脱氢反应，PDS 脱氢作用的产 物 9，15，9'-三顺式-ζ-胡萝卜素，在光和 ζ-胡萝卜素异 构酶（ ζ-carotene isomerase，ZISO） 作用下异构形成黄色 的 9，9'-二顺式-ζ-胡萝卜素［13］，在植物非绿色组织中， 由类胡 萝 卜 素 异 构 酶 （ carotenoid isomersase，CRTISO） 催化作用下，生成全反式番茄红素 。 ［11，14］ 全反式番茄 红素是一种红色的类胡萝卜素，主要存在于西瓜、番茄 等的果实中。
1 类胡萝卜素生物合成途径
类胡萝卜素是含 40 个碳的类异戊烯聚合物，即四 萜化合物，是含有 8 个异戊二烯单位的四萜化合物，由 两个二萜缩合而成。植物中的萜类化合物有两条合成 途径，即甲羟戊酸途径（ mevalonate，MVA） 和 2-C-甲基D-赤 藻 糖 醇-4-磷 酸 （ 2-C-methyl-D-erythritol-4phosphate，MEP） 途径。Zhan 等［12］综述了植物帖类化 合物的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡 萝卜素生物合成的前体物质异戊烯二磷酸（ isopenteny
三个 IPP 分子和一个 DMAPP 分子在牻牛儿基牻 牛儿基二磷酸合酶（ geranylgeranyl diphosphate synthase， GGPS） 催化下缩合形成 20 个碳原子的牻牛儿基牻牛儿 基二磷酸（ geranylgeranyl diphosphate，GGPP） ，GGPP 是 多种物质生 物 合 成 的 共 同 前 体，是 形 成 植 物 类 胡 萝 卜 素最直 接 的 前 体，参 与 合 成 植 物 中 第 一 个 类 胡 萝 卜 素———八氢番茄红素。
2 类胡萝卜素合成酶基因在植物基因工程 的应用
整个类 胡 萝 卜 素 生 物 合 成 途 径 极 其 复 杂，包 括 许 多特有的分支途径，其调控机制也十分复杂，涉及中间 产物的竞争、瓶 颈 反 应 和 产 物 的 反 馈 抑 制 作 用。 通 过 最近几年的 研 究，研 究 者 通 过 基 因 工 程 突 破 这 些 瓶 颈 或绕过某些途径来提高类胡萝卜素产量已经取得了巨 大的成功［28］。主要体现在以下几个方面。 2. 1 突破类胡萝卜素合成途径中的上游瓶颈限制
改造限速步骤对提高类胡萝卜素合成途径的产 物 积 累 是 非 常 必 要 的 。 如 上 所 述 ，植 物 中 类 胡 萝 卜 素 生物合成过程中第一个限速反应是由 PSY 催化 2 个 GGPP 生成第一个 40 个碳的、无色的 15-顺式-八氢番 茄 红 素 ，在 油 菜 和 番 茄 等 多 种 植 物 中 已 证 实 该 酶 是 类 胡萝 卜 素 合 成 的 限 速 酶。 因 此，在 PSY 催 化 下 由 GGPP 生成八氢番茄红素成为类胡萝卜素代谢途径的 “瓶颈”，PSY 基因已经在植物类胡萝卜素遗传工程中 得到广泛的研究。研究发现存在于玉米中的 PSY 以 三种同工酶的形式出现，分别由 PSY1、PSY2、PSY3 基 因编码。玉米胚乳中类胡萝卜素含量与 PSY1 mRNA 的高度关联，PSY1 基 因 突 变 可 以 导 致 下 游 类 胡 萝 卜 素生成受到影响，而使玉米 种 子 出 现 浅 黄 色 表 型，说 明该基因在胚乳类胡萝卜素形成过程中起着至关重 要的作用，而 PSY2 基因是叶片中类胡萝卜素合成的 关键，PSY3 与根 中 类 胡 萝 卜 素 合 成 以 及 压 力 胁 迫 下 脱落酸的生成相关［29］，类似 PSY 同工酶的性质，在水
在动物细胞 中，类 胡 萝 卜 素 物 质 也 起 着 尤 为 重 要 的作用，但其自身不能合成类胡萝卜素，只能从日常饮 食中摄取［6］。类 胡 萝 卜 素 物 质 具 有 抗 氧 化 活 性，可 以 保护人类远 离 一 系 列 的 慢 性 病，是 健 康 饮 食 中 必 须 的 重要成分［7］。其中 β-胡萝卜素广泛的存在于各种橘黄 色水果及深绿色和黄色蔬菜中（ 如花椰菜、菠菜、甘蓝、 胡萝卜、南瓜、番薯和西葫芦等） ，是人体合成维生素 A 的重要前体物质，而维生素 A 在人体正常生长和组织 修复过程中 起 着 重 要 作 用，对 维 持 人 体 视 觉 系 统 和 免
收稿日期： 2010-12-20 修回日期： 2011-08-29 * 国家转基因生物新品种培育科技重大专项资助项目 （ 2009ZX08003 － 019B、2008ZX08003 － 005、2008ZX08004 － 001、 2009ZX08010 － 013B） ＊＊ 通讯作者，电子信箱： jingjitju@ live． com
图 2 β-胡萝卜素的结构及其晶体 （ 晶体图片来源 www． kagome． com． cn） Fig. 2 The structure and crystal of β-Carotene β-胡萝卜素以不同的有机溶剂提取得到的晶体形 状不同，一般 为 深 紫 红 色 六 棱 柱 结 晶 或 红 色 正 方 形 叶 片晶体。可溶 于 二 硫 化 碳、苯、氯 仿 等 溶 剂，微 溶 于 甲 醇、乙醇、食用油等溶剂，不溶于水、酸和碱等。β-胡萝 卜素对空气、光和热较敏感，空气中易被氧化而变为无 色、无活性的氧化产物［16］，其晶体结构如图 3 所示。
图 3 δ-胡萝卜素的结构 Fig. 3 The structure of δ-carotene 若只 有 其 中 一 个 末 端 在 番 茄 红 素 ε-环 化 酶 （ lycopene ε-cyclase，LYCE） 作用下形成 ε-环，即为 δ-胡 萝卜素，其分子结构如图 3 所示。 以 δ-胡萝卜素为底物经过 LYCB 催化，在其另一 端形成 β-环，生成 α-胡萝卜素。α-胡萝卜素为红黄色 板状结晶，能溶于石油醚、氯仿，难溶于甲醇，其分子结 构如图 4 所示［17］。

图 4 α-胡萝卜素的结构 Fig. 4 The structure of α-carotene
β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、γ-胡萝卜素和 β-隐黄质 都含有未被取代的 β-环，是维生素 A 生物合成的前体 物质，被称为维生素 A 原。
β-胡萝卜素环可以在非亚铁血红素 β-胡萝卜素羟 化酶（ β-carotene hydroxylase，BCH） 催化下经中间产物 β-隐黄质（ β-cryptoxanthin） 生成玉米黄质（ zeaxanthin） ，
正是由于类 胡 萝 卜 素 与 人 类 健 康 的 关 系 密 切，以 及其他方面 的 应 用 价 值，有 关 类 胡 萝 卜 素 生 物 合 成 途 径及其相关基因的遗传操作调控得到了广泛的研究。 本文主要对类胡萝卜素生物合成途径及类胡萝卜素生 物合成酶基因在植物基因工程方面应用的国内外最新 研究进展进行了综述。
中国生物工程杂志 China Biotechnology，2011，31（ 11） ： 107-113
植物类胡萝卜素生物合成及功能*
霍 培 季 静＊＊ 王 罡 关春峰
（ 天津大学农业与生物工程学院 天津 300072）
摘要 详述了植物类胡萝卜素生物合成途径，并从突破类胡萝卜素合成途径中上游瓶颈限制、类 胡萝卜素代谢各分支途径的改造、提高植物细胞对类胡萝卜素物质积累能力三个方面探讨了类 胡萝卜素生物合成酶基因在植物基因工程中的研究现状，最后对植物类胡萝卜素代谢的研究前 景进行了展望。 关键词 类胡萝卜素 生物合成 基因工程 中图分类号 Q81
类胡萝 卜 素 是 一 类 天 然 色 素 的 总 称，普 遍 存 在 于 动物、高等植物、真菌、藻类和细菌中，不同的类胡萝卜 素具有不同的生物学功能。
在植物中，类 胡 萝 卜 素 主 要 存 在 于 植 物 叶 绿 体 以 及许多花和 果 实 的 有 色 体 中，其 在 植 物 光 合 作 用 中 发 挥两个重要 功 能，即 参 与 光 吸 收 和 防 止 前 体 细 胞 发 生 光氧化［1］。同时，类 胡 萝 卜 素 也 是 植 物 对 外 界 刺 激 响 应的信号分子前体物质，因此，在植物中类胡萝卜素具 有促进光形态发生、参与非光化学抑制反应、脂质过氧 化反应及吸引传粉昆虫等作用［2-3］。近期研究还发现， 类胡萝卜素可以参与传统植物激素（ 如脱落酸） 和新型 植物激素（ 如独角金内酯） 的生物合成［4-5］。
疫系统的正常生理功能尤为重要［8］。番茄红素是一种 红色素，存在于许多水果和蔬菜中（ 如番石榴、西瓜、葡 萄柚和番茄） ，可以作为单线态氧的有效猝灭剂，能消 除羟自由基，在 细 胞 中 和 脂 类 结 合 而 有 效 抑 制 脂 质 的 氧化，是非常好的食用抗氧化剂，对降低恶性肿瘤和冠 心病发病率起着重要作用［9］。叶黄质和玉米黄质存在 于绿色、某些黄色和橙色的水果和蔬菜中（ 如玉米、油 桃、橘子、木瓜和南瓜等） ，是人体视网膜黄斑的主要构 成成分［10］，可以预防老年人群中由黄斑病变所引起的 失明［11］。
图 1 番茄红素的结构及其晶体 （ 晶体图片来源 www． kagome． com． cn） Fig. 1 The structure and crystal of lycopene
番茄红素环化反应是类胡萝卜素进一步合成代谢 的分支点，可被环化形成 β-、ε-环两大类胡萝卜素。番 茄红素分子的两个末端在番茄红素 β-环化酶（ lycopene
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霍 培 等： 植物类胡萝卜素生物合成及Baidu Nhomakorabea能
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而 α-胡萝卜素则可在细胞色素 P450 胡萝卜素羟化酶 （ ε-carotene hydroxylase，CYP97 ） 的 作 用 下 生 成 叶 黄 素［18-20］。叶黄质和玉米黄质在生物体内以酯化物形式 存在，且存在立体异构现象 。 ［21-22］ 玉米黄质可以转化 为花 药 黄 质 （ antheraxanthin ） ，进 而 转 化 为 紫 黄 质 （ violaxanthinde） ，两步环氧化作用都是在玉米黄质环化 酶（ zeaxanthin epoxidase，ZEP） 催化作用下完成。
番茄红素分子式为 C40 H56 ，为含有 11 个共轭双键 和 2 个非共轭双键的多不饱和脂肪烃，是一种很重要 的类胡萝卜 素，结 晶 是 暗 红 色［15］。 分 子 式 及 其 晶 体 结 构如图 1 所示：
β-cyclase，LYCB） 作用下形成 β-环，即为 β-胡萝卜素， 其分子结构如图 2 所示。