类胡萝卜素和花青素研究方案

植物呈现出绚丽多姿的色彩，有的是为了光合同化作用，有的则是作为吸引信号或者植物防御信号，从而有利于它们的生存、授粉或种子传播，以便将自己的基因长久的遗传下去。

这些色彩是由植物体内卟啉类、类胡萝卜素类、类黄酮类和甜菜素类四种物质而引起的。

其中类胡萝卜素使高等植物呈现出黄色、橙红色或红色。

类黄酮可分为黄酮、黄酮醇和花青素3类，前两者大多呈浅黄色，花青素则会根据PH 值的不同，使高等植物呈现出红色到蓝色。

1.类胡萝卜素
类胡萝卜素是一类呈黄色、橙红色或红色的多烯类物质, 一般由8个类异戊二烯单位组成，其具有抗氧化、防癌症、预防夜盲症等功能。

自然界中发现的类胡萝卜素种类繁多, 大约有700多种。

近10年来，每年大约有3000多篇类胡萝卜素相关的文献产出。

（1）类胡萝卜素在高等植物中的分布
类胡萝卜素作为光合色素的辅助色素，广泛存在于高等植物中，主要是以光合色素-蛋白质复合体的形式存在于高等植物的叶绿体中，几乎所有有叶绿素的地方就有类胡萝卜素。

如许多黄色或橙色的高等植物花瓣和果实的颜色均源于存在于其组织细胞之中的类胡萝卜素化合物，如番茄、柑橘、辣椒、胡萝卜、玉米等。

（2）类胡萝卜素的分析检测方法
类胡萝卜素的分离、定性、定量分析是从事类胡萝卜素研究工作的基本方法。

类胡萝卜素的共轭双键对热、光、氧和酸都是比较敏感的，所以在分析操作过程中要尽量减少氧的破坏、较大可能的避免光和热引起的变化。

分析试剂不要含过氧化物、酸和游离氧。

色谱质谱技术和光谱技术是类胡萝卜素研究工作中重要的分析方法，在定性、定量分析和分离、制备方面起着重要的作用。

（3）类胡萝卜素的功能
类胡萝卜素在叶绿体光合作用中扮演着重要角色，一方面可帮助叶绿素接收光能，另一方面高温、强光下可通过叶黄素循环，耗散多余能量，此外类胡萝卜素还是ABA的前体。

高等植物的叶、花、果及根因富含类胡萝卜素，而呈现出黄色、橙红色或红色，因此胡萝卜素是决定园艺植物观赏价值的重要指标。

类胡萝卜素还是维生素A的前体，对增强免疫力、防癌抗癌等具有重要作用，也是决定水果、蔬菜品质的重要指标。

（4）类胡萝卜素的生物合成的主要酶及其基因
类胡萝卜素的生物合成途径目前已经研究的很清楚了，以异戊烯焦磷酸为前体，经过IPI、GGPS、PSY、PDS、ZDS、LycB、LycE 等酶催化，产生各类类胡萝卜素。

（5）类胡萝卜素部分成果
代谢组和转录组联合研究辣椒果实颜色形成机制
期刊：Food Chemistry
发表时间：2019.9
单位：湖南大学
研究背景：
本研究中利用LC-ESI-MS/MS和RNA测序，对4种不同果实颜色的辣椒品种进行分析，共鉴定到188种黄酮类化合物，其中紫色品种的花青素、黄酮醇和黄酮类化合物含量明显高于其他品种，这与黄酮类化合物合成和调控基因的高表达有关。

利用WGCNA 分析，确定类黄酮合成和调控类黄酮合成和转运的候选基因。

此外，对12种类胡萝卜素的分析表明，4个辣椒品种在开花期50天的叶黄素含量存在显著差异，这是由于类胡萝卜素通路下游基因表达差异造成的。

研究结果为了解辣椒果实中类黄酮和类胡萝卜素的合成和积累提供了新的见解。

研究思路：
补充红光照射促进番茄成熟的效应机制
期刊： Environmental and Experimental Botany 发表时间：2020.4
单位：华南农业大学
研究背景：
番茄在温室栽培条件下，植株的下部冠层经常被邻近的番茄遮KEGG 通路注释 ★类胡萝卜素下游基因的差异
表达，导致花后50天叶黄素含
量在四个品种有显著差异
广泛靶向代谢组 ★12种类胡萝卜
素检测 4个不同果色辣椒品种，两个时期（n=3）
广泛靶向代谢组 ★检测到188种类黄酮 ★差异表达代谢物主要为花青素、黄酮、黄酮醇。

转录组
★四个品种中共鉴定出15227个差
异表达基因 共表达分析
★鉴定黄酮合成相关模块及调控黄酮合成和转运的基因
挡。

辅助照明可为植物提供足够的光能，红光被认为是有效的辅助光谱。

但补充红光对番茄成熟影响机制目前不是很清楚。

本研究利用代谢组学辅助验证补充红光对番茄成熟和类胡萝卜素积累的影响机制，为番茄果实成熟机制和温室培养番茄的光照条件策略优化提供了大量的验证数据，同时也为实际番茄生产提供了有效的指导价值。

研究思路：
不同发育时期酸浆果实类胡萝卜素成分分析
期刊：Journal of Food Science
发表时间：2019.9.28
单位：邵阳学院食品与化学工程学院
研究背景：
天然类胡萝卜素越来越受到消费者的青睐和食品科学家、生产商的关注。

本文利用LC-MS/MS对不同发育时期酸浆果实类胡萝卜素成分分析。

结果表明，β-胡萝卜素的β环被高效羟基化，玉米黄质在半熟和全熟阶段持续合成。

酸浆果实中叶黄素是丰富的类胡萝卜素成分（半成熟期达到64.61μg/g）。

此外，在绿熟期和破色期也检测到少量的γ-胡萝卜素。

这些结果表明酸浆是天然类胡萝卜素的良好来源。

研究思路：
ClPAP和ClPSY1调控西瓜中有色体分化、类胡萝卜素积累和果肉颜色的机制
期刊：Scientia Horticulturae
发表时间：2020.4.20
单位：东北农业大学
研究背景：
西瓜中富含类胡萝卜素，其合成积累受上游基因PSY的调控。

有色体是类胡萝卜素合成和储存的主要位置，PAP与有色体的发育及类胡萝卜素合成相关。

本研究
通过电子显微镜观察了不同西瓜品种果肉发育过程中的叶绿体分化。

LC-MS / MS对类胡萝卜素分析表明，红肉西瓜主要积累番茄红素，在成熟后形成晶状有色体，而其他类胡萝卜素形成球状有色体。

三个八氢番茄红素合成酶基因（ClPSY）和七个脂质体相关基因（ClPAP）的表达分析表明，ClPSY1的表达与六氢番茄红素和总类胡萝卜素的积累一致，而ClPAP（Cla014416）的表达与ClPSY1一致。

ClPSY1、Cla014416的CDS和启动子序列变异可能是决定基因表达水平的主要因素。

研究思路：
2.花青素
花青素又称花色素，是植物中的水溶性色素，也是植物花瓣中的主要呈色物质。

花青素属于类黄酮化合物，其基本结构母核是2-苯基苯并呋喃，大多数花青素在花色基元的3-，5-，7-碳位上有取代羟基。

由于A环和B环各碳位上的取代基不同（羟基或甲氧基），形成了各种各样的花青素。

近10年来，花青素相关的文献产出逐年增加，在2019年达到1245篇。

（1）花青素在高等植物中的分布
植物中常见的花青素为天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛色素及锦葵色素的衍生物。

自然条件下游离状态的花青素少见，常通过糖苷键形成花色苷。

其中花青素含量较高的植物有葡萄、山楂、松针、紫薯、银杏、花生、苹果、茶叶、沙棘等，目前研究的有葡萄及紫薯。

（2）花青素的分析检测方法
花青素常见的提取分离方法溶剂萃取法、超声波法、高压水法等方法。

溶剂萃取法简单易操作，但耗费溶剂多，提取时间较长，溶剂的排放会造成一定的环境污染；超声波法和高压水法虽然对设备要求较高，但萃取时间短且有较高的萃取率，明显优于传统的溶剂萃取法，尤其
是高压水法不会对环境造成任何污染。

花青素总量测定多采用分光光度法，该法受原花色素、花白素干扰，分析结果往往偏高，灵敏度也不够理想；而不同种类花青素成分结构的鉴定及含量测定，常用高效液相色谱质谱法，该方法灵敏度较高，物质定性定量也更加准确。

（3）花青素的功能
花青素是现有效的抗氧化剂之一，也是强效的自由基清除剂，花青素的抗氧化性能比VE高50 倍，比VC高20 倍。

除此之外，水果、蔬菜和花卉中的主要呈色物质大部分与花青素有关。

在植物细胞液泡不同的PH 值条件下，花青素使花瓣呈现五彩缤纷的颜色。

（4）花青素的生物合成的主要酶及其基因
20世纪80 年代末90年代初，植物花青素代谢途径的研究己较为成熟，苯丙氨酸是花青素生物合成的直接前体，由苯丙氨酸在一系列酶的催化作用下经历3 个阶段，形成花青素。

这一生物合成过程涉及到多种相关酶的参与包括PAL、CHS、F3H、DFR、ANS和UFGT 等。

此外，包含MYB、bHLH转录因子和WD40蛋白的
MYB/bHLH/WD40（MBW）复合物在各植物调节花青素积累中起到核心调节作用，包括在玉米，金鱼草，矮牵牛和拟南芥。

（5）花青素部分成果
乙烯参与茉莉酸介导的梨果肉类黄酮和花青素代谢的调控研究
期刊：Plant Biotechnology Journal
发表时间：2019.11
单位：浙江大学
研究背景：
乙烯和茉莉酸增加了果实中黄酮类化合物的积累。

然而，关于与红梨果实着色相关的激素功能及其联合作用和潜在机制却知之甚少。

采用不同处理方法研究了梨类黄酮代谢谱和梨转录组，验证了乙烯和茉莉酸酯对红梨类黄酮合成的影响及其机制。

乙烯抑制了中国红梨果实中花青素的生物合成，而茉莉酸则增加了花青素和黄酮/异黄酮的生物合成。

乙烯法测定了茉莉酸类黄酮生物合成途径的分支。

联合表达网络和Mfuzz分析揭示了4368个候选转录本。

此外，乙烯通过TF抑制PpMYB10和ppmyb114表达，
抑制花青素的生物合成。

在没有乙烯的情况下，茉莉酸盐通过转录或翻译后调节诸如MYB和bHLH等TFs来诱导花青素的积累。

然而，茉莉酸盐在梨中诱导乙烯生物合成和相关的信号通路，从而减少花青素的生产，增加黄酮/异黄酮生物合成前体的可用性，并增强深黄果实的着色。

我们在此提出了新的表型和由茉莉酸盐和乙烯控制的果色调控模式，并证实了果色调控是复杂的。

研究思路：
血橙花青素积累调控机制
期刊：Plant Cell and Environment
发表时间：2019.07
单位：华中农业大学
研究背景：
血橙是以冷诱导的方式在果肉中积累花青素；血橙的果皮在充足的光照条件下也能积累花青素。

有意思的是，紫柚只在果皮中积累花青素，而不能在果肉中积累。

目前，我们对引起柑橘属植物花青素积累的这种组织特异性的原因尚不清楚。

Ruby1基因是花青素生物合成的一个重要激活因子。

该研究发现，在血橙中Ruby1的启动子即受冷诱导外，也受光诱导。

EMSA和瞬时表达分析表明，转录因子HY5可以与Ruby1的启动子G‐box motif结合，促进Ruby1的转录。

在紫柚中，花青素积累的组织特异性可能是由于其果皮缺乏一个低温响应元件( LTRE)和MYC结合位点，而在血橙中受冷诱导的CsRuby1
启动子中插入了一个长末端重复( LTR) 型逆转录转座子。

该研究结果为花青素生物合成调控机制提供了新的见解，并为改良果实花青素的含量提供了新的方案。

研究思路：
代谢组学和转录组联合解析枣果皮成色机理
期刊：Food Chemistry
发表时间：2019.11
单位：河北农业大学
研究背景：
颜色是枣果实（Zipiphus jujuba Mill）重要的外观品质，但在长期保存期间，商业价值会随着果皮颜色和光泽的显着降低而降低。

本研究通过分析三个成熟期枣果皮中的基因表达和代谢物含量，阐明颜色形成机理。

锦葵色素3-O-糖苷和飞燕草素3-O-糖苷的大量积累与枣皮的变红有关。

果实成熟初期，类黄酮生物合成起始阶段的基因活性较高。

成熟后期，参与花青素积累的三种UDP-葡萄糖类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）显着增加，对它们的适当操作可延迟果皮变红。

这项研究揭示了枣果皮着色相关的代谢途径和候选基因，并为长期保存期间提高枣果的外观品质奠定了基础。

研究思路：
代谢组+转录组探索调亏灌溉对赤霞珠葡萄花青素合成的影响机制
期刊：Food Chemistry
发表时间：2020.1
单位：西北农林科技大学
研究背景：
花色苷是葡萄中重要的水溶性色素，影响葡萄果实颜色、葡萄的品质，也会影响葡萄酒的风味，同时，花青素也是重要的营养成分，对人体健康起到和好的作用。

植物灌溉量不仅促进植物对养分的吸收，而且还可以提高果实品质。

调节亏缺灌溉（RDI）是近年来开发的一种新型节水灌溉技术。

在减水的条件下，RDI的应用可以在一定程度上提高园艺作物的经济系数。

前期研究表明，RDI可能导致藤蔓脱落，新芽停止生长。

适度的水分亏缺可以使葡萄中的总花色苷含量增加30％至50％，并改善花色苷的甲基化程度以及甲基化花色苷在总花色苷中的比例。

然而，赤霞珠葡萄中RDI对花色苷生物合成和代谢的作用机理研究仍缺乏系统的研究。

因此，本研究的目的是利用赤霞珠浆果中的生化和转录组学与代谢组学相结合，阐明RDI对花色苷生物合成和代谢的作用机理，阐明RDI处理后的花色苷代谢途径，并为酿酒葡萄的生长提供理论基础和指导。

研究思路：
转录+代谢解析芜菁色泽差异分子机制
期刊：International Journal of Molecular Sciences 发表时间：2019.09
单位：新疆农科院
研究背景：
芜菁富含花青素，深受消费者喜爱，但根部色泽积累的代谢和分子机制尚不清楚。

本研究对新疆广泛种植的两个芜菁品种（绿根皮GT和紫根皮PT）的5个发育时期进行了花青素检测和转录组测序，包括幼苗期、肉质根膨胀早期、完全膨胀期、成熟期和收获期。

转录组分析发现肉质根完全膨胀阶段是芜菁着色的关键阶段，MYB、bHLH和WRKY是主要的调控基因，花青素靶向检测共检出21种物质在两种芜菁中差异表达。

组学联合分析重构了黄酮-花青素生物合成途径，获得了四种基因，即黄酮醇合酶、二氢黄酮醇-4-还原酶、花色素苷合成酶和UDP -类黄酮葡萄糖基转移酶，并对这些基因进行了SNPs分析。

本研究阐明了紫色和绿色芜菁中花青素积累差异的机制，为进一步深入分析候选结构基因以及预测调控芜菁花青素的关键转录因子，开发具有改善营养品质的新芜菁品种提供了重要的理论基础。

研究思路：
文末福利
迈维提供可提供外标+同位素内标定量66种类胡萝卜素、45种花青素相对定量检测等服务。