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氢气与花青素的合成

返回列表 来源:氢思语 浏览: 发布日期:2018-09-21 【
花青素属于多酚类化合物,又称花色素,是自然界一类广泛存在于植物的水溶性天然色素,是花色苷水解得的有色背元。水果、蔬菜、花卉的主要呈色物质大部分与花青素有关。已知花青素有20 多种,食物中重要的有6种。

植物花青素发挥重要生理作用,例如清除自由基、吸引昆虫增加授粉机会和抗紫外线损伤,花青素也能作为抗生素对抗细菌感染。花青素对动物和人的作用也十分广泛,作为抗氧化剂、抗炎症和抗肿瘤效应。摄取花青素丰富的食物能显著减少慢性病的发生率。因此研究如何促进植物花青素合成,提高营养保健价值也就十分必要。

模式植物拟南芥花青素生物合成途径已被充分研究,花青素通过苯基丙酸类和类黄酮生合成途径生成。这些合成途径包括多种关键合成酶,如苯丙氨酸解氨酶、查耳酮合成酶、查耳酮异构酶和黄烷酮3羟化酶等。研究拟南芥花青素生物合成转录调节,对理解叶色表型的控制十分关键。其中MBW转录复合体是MYB、bHLH和WDR三种调控因子组成的复合体,是调控花青素生物合成的重要转录因子。

花青素生物合成不仅受自身信号调节,也受到环境信号的影响,例如植物激素、紫外线、强光照射、低温干旱应激、营养缺乏应激等。花青素聚集也常常被作为应激对抗反应。


氢气是一种无色无味的惰性气体。2007年太田成男教授发现氢气作为一种选择性抗氧化剂,能中和强毒性的羟基自由基和亚硝酸阴离子。随后人们用氢气溶解于水制作氢水用于临床和基础医学研究,发现氢气具有治疗结肠炎、缺血性脑损伤、糖尿病、帕金森病、抑郁症和癌症的作用。氢气也具有十分广泛的植物学效应。如氢气能对抗百草枯诱导的紫花苜蓿氧化应激。苜蓿是苜蓿属植物的通称,俗称金花菜,是一种多年生开花植物。其中最著名的是作为牧草的紫花苜蓿。苜蓿种类繁多,多是野生的草本植物。氢气也能对抗拟南芥高盐应激,大白菜金属镉应激和玉米强光应激。
研究发现氢气能促进黄瓜幼苗侧根生长,延长猕猴桃保质期。本研究论文作者南京农业大学崔瑾教授等2014年发现,在白光下,使用氢水不影响萝卜苗青化素的合成,但是,氢水能显著提高在紫外线照射情况下的青花素合成。(诱导植物产生花青素,氢气需要联合紫外线?紫外线自己可以产生这样的作用,氢气自己没有这本事!)不过,当时该小组对这种现象背后的机制,尤其是下游分子信号是什么并没有回答。
钙离子是重要的细胞内第二信号,在植物生长发育中有十分重要的地位,钙离子也参与植物发育和植物各类抗逆过程信号调节。在花青素合成中有重要地位的DFR基因表达也收到钙离子调控。许多研究表明,钙离子刺激花青素的聚集。IP3受体是内质网膜上调节细胞内钙离子水平的重要分子。内质网钙离子是细胞内钙离子的储存库,IP3与受体结合能导致钙离子通道开放,造成细胞内游历钙离子水平提高。IP3也能介导ABA诱导的大豆芽异黄酮合成。钙离子也能调节胡萝卜和葡萄青花素合成。但是钙离子在萝卜苗暴露于紫外线条件下氢水调节青花素合成的作用尚不清楚。
最新这一研究中,实验发现氢水能显著提高萝卜苗细胞内钙离子水平,这一作用和氯化钙类似。药理学和分子生物学研究表明,钙离子是氢气促进紫外线诱导的青花素合成的下游信号分子。这一研究结果符合氢气调节青花素合成的分子机制。对于我们进一步拓展氢气在高等植物效应的认识,也提供了指导通过环境控制优化青花素萝卜苗生产的理论。
研究表明钙离子参与氢气促进花青素生物合成。紫外线能促进萝卜苗花青素合成,氢气可以加强这一作用。这种作用的分子基础是IP3激活内质网膜上的受体,导致内质网释放钙离子。细胞内钙离子水平增加是激活花青素生物合成的信号枢纽。
研究的最直接价值是,通过使用氢水,让芽苗菜获得更好的产品品质,提高营养价值。结合过去氢气促进植物生长的,增加抗逆能力的研究。可以说氢水不仅能增进农作物产量,也能提高营养价值,这是一举多得的好事。
从研究理论意义角度,这一研究也具有重要启发意义,氢气抗氧化一直是氢气生物学效应的基础。青花素的合成作为一种抗逆反应标志,一方面说明氢气能提高植物抗逆能力,而抗逆能力往往是各种外界不利应激因素诱导产生,例如低温、干旱、高盐和紫外线都可以诱导植物合成花青素。氢气也具有这样的协同效应,且只在紫外线这种应激因素存在的条件下发生,这意味着氢气也类似一种半应激因素,或者具有应激调节效应。应激调节往往等价于不良环境,难道氢气也代表一种不良应激因子?如果是这样,我们可以对许多动物效应进一步阐述。氢气能通过Nrf2诱导抗氧化抗炎症效应,也存在类似性。这样的作用可以将氢气的生物学作用从单纯帮助生物抗氧化的药物效应,延伸到具有信号调节作用的生理功能层次。这是对氢气医学的升华和添彩,不知道各位是否有同样的看法。
Zhang X, et al. Increased Cytosolic Calcium Contributes to Hydrogen-Rich Water-Promoted Anthocyanin Biosynthesis Under UV-A Irradiation in Radish Sprouts Hypocotyls. Front Plant Sci. 2018 Jul 16;9:1020.

发现花青素的故事
1928年,匈牙利科学家阿尔伯特在柑橘类的水果中发现了维生素C,并因此获得诺贝尔奖,他被世人尊称为维生素C之父。由于维生素C可针对性地治疗坏血病,因而开始时维生素C被形象地称为抗坏血酸。
阿尔伯特在实验室里合成出了100%纯度的维生素C,而合成的维生素C是从植物中提取的,是不纯的“粗品”维生素C。人们推断,合成维生素C对坏血病的治疗作用应大大强于“粗品”维生素C。然而实验结果却正好相反,合成的纯维生素C几乎没有抗坏血病的功效。
阿尔伯特坚信他自己提取的维生素C中还含有一种神奇的物质,该物质与维生素C协同对抗坏血病。
二战后,1947年的法国,物资极度匮乏。为了解决牲口的饲料问题,法国农业部决定将花生下脚料利用起来,这其中包括花生皮和花生仁的包衣。法国农民抱怨说他们的牲畜并不喜欢吃这种饲料。农业部的官员们想知道,法国的牲畜们为什么如此挑食,是否是因为花生皮或仁的包衣中含有什么有毒物质,农业部将这一研究课题委托给法国科学院,科学院将这一课题委托给法国波尔多大学(University of Bordeaux)研究生院,最后这一任务落在了当时正在波尔多大学研究生院做博士论文的马斯魁勒身上。
马斯魁勒出色地完成了任务,他首先证明这种饲料没有任何毒性,然后推断说,牲畜们之所以不喜欢吃是因为在花生仁的包衣中含有一种味道非常苦涩的“神秘物质”,这种“神秘物质”就是花青素。
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