一文搞懂花青素|茁彩生物

花青素（anthocyanidin）又称花色素，是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，是花色苷水解而得的有颜色的苷元 。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质大部分与之有关。

花青素的碳骨架为C6-C3-C6，即两个芳香环（C6），中间由一个吡喃环（C3）连接。随着B环中羟基数量的增加，花青素的颜色变得更蓝，甲基化会导致花青素的颜色变红。

花青素的稳定性受多种因素的影响，迄今为止, 自然界中已有多达600种花青素苷被分离和鉴定, 主要从6种花青素苷元衍生而来, 即天竺葵素(pelargonidin)、矢车菊素(cyanidin)、飞燕草素(delphinidin)、芍药花素(peonidin)、矮牵牛素(malvidin)和锦葵素(petunidin)。花青素可以通过羟基化、甲基化、糖基化和酰化进行修饰。色谱法和光谱法已广泛应用于花青素的提取、分离和鉴定

通过黄酮类阳离子取代而产生的天然花青素结构

花青素广泛存在于开花植物（被子植物）中，其在植物中的含量随品种、季节、气候、成熟度等不同有很大差别。据初步统计：在27个科，73个属植物中均含花青素，如黑枸杞、紫甘薯、葡萄、血橙、红球甘蓝、蓝莓、茄子、樱桃、红莓、草莓、桑葚、山楂、牵牛花等植物的组织中均有一定含量。

生物合成及转运

花青素的生物合成涉及到苯丙烷生物合成途径、类黄酮生物合成途径和花青素生物合成途径三个部分。

花青素合成的起点是苯丙烷生物合成途径，它将合成的直接前体苯丙氨通过三种酶，苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）和4-香豆酸COA连接酶（4CL）形成重要的中间产物4-香豆酰COA。

花青素合成的核心部分是类黄酮生物合成途径，将4-香豆酰COA通过查尔酮合成酶（CHS）催化生成查尔酮，经查尔酮异构酶（CHI）和黄烷酮3-羟化酶（F3H）催化形成二氢黄酮醇，二氢黄酮醇，二氢黄酮醇经过类黄酮3′-羟化酶（F3′H）、类黄酮3′,5′-羟化酶（F3′5′H）的催化形成二氢槲皮素和二氢杨梅素，这些类黄酮化合物是花青素合成的直接前体，也可以参与其他次生代谢途径。二氢槲皮素和二氢杨梅素经二氢黄酮还原酶（DFR）催化形成无色的花色素。

花青素合成的最后部分是花青素生物合成途径，它将无色的花色素通过双加氧酶/花青素合成酶（LDOX/ANS）催化转化成有色的花青素，经葡萄糖基转移酶（GT）进行糖苷化修饰后生成稳定的花青素苷。

花青素生物合成

花青素的生物合成已经被研究得比较清楚了，它主要是由苯丙氨酸经过多个酶催化反应生成的。但是，花青素在细胞质中合成后，如何被转运到液泡中存储呢？这个过程却还不太明白。液泡是植物细胞中一个很大的囊泡，它可以存储各种物质，包括花青素。液泡中的花青素可以给植物的根、茎、叶、花、果实、种子等器官带来五彩缤纷的颜色。

到目前为止发现了4类蛋白(GST、MRP、MATE和BTL-homologue)可能参与花青素苷向液泡的转运, 即4种花青素苷转运模型。

转录调控

近年来，关于转录因子调控机制和花青素代谢工程的研究取得了一些新的进展，主要包括以下几个方面：

转录因子家族：目前已经鉴定出多个参与调控花青素生物合成途径的转录因子家族，如MYB、bHLH、WD40、NAC、WRKY等。这些转录因子家族中的成员往往具有功能多样性和互作性，可以形成不同的复合体来激活或抑制结构基因的表达。

转录因子互作：转录因子之间的互作是调节基因表达的重要机制之一，通过改变互作伙伴或互作强度，可以影响转录复合体的稳定性和特异性。例如，MYB-bHLH-WD40（MBW）复合体是调控花青素生物合成途径最常见和最重要的模式。不同类型和数量的MYB、bHLH和WD40可以组成不同的MBW复合体，从而对结构基因产生不同的影响。

 花青素生物合成过程中MYB tf介导的信号通路

转录因子修饰：转录因子本身也可以受到各种后翻译修饰（PTM），如磷酸化、泛素化、乙酰化等。这些修饰可以改变转录因子的稳定性、亲和力、互作能力等，从而影响其调控功能。例如，MYB114在花青素生物合成途径中起到正向调控作用，但是当其被泛素化后，就会被降解，从而降低花青素的合成。

转录因子工程：转录因子工程是一种常用的代谢工程策略，通过改变转录因子的数量或活性，可以提高目标代谢物的产量或质量。转录因子工程主要包括以下几种方法：过表达或敲除转录因子、改变转录因子的启动子强度或表达模式、改变转录因子的结构域或结合位点等。例如，过表达MYB75可以显著提高拟南芥中花青素的含量，而敲除MYB12可以显著降低番茄中花青素的含量

敲除MYB12可以显著降低番茄中花青素的含量