楊文竹, 陳茹梅

（中國農業(yè)科學院生物技術研究所, 北京 100081）

花青素屬于多酚類化合物中的類黃酮類, 是一種天然的水溶性色素, 與類胡蘿卜素、甜菜紅堿和葉綠素一起構成植物體內四類主要色素, 在自然界中廣泛存在[1]。花青素在植物細胞質中合成, 儲存于液泡中, 顏色范圍從橘紅到紫藍, 獨特的顏色依賴于多樣修飾造成的結構差異、共存的其他色素、金屬離子和pH等因素?；ㄇ嗨胤N類繁多, 達數(shù)千種, 主要存在形式有天竺葵素、矢車菊素、飛燕草素、芍藥素、牽?；ㄋ睾湾\葵素[2]。自然界中呈現(xiàn)紫色或紅色的果實大都含有花青素, 最常見的富含花青素的水果和作物有藍莓、葡萄、櫻桃、草莓、黑米、紫玉米和紫薯等。

花青素是常見的抗氧化物質, 其主要生理功能是清除自由基, 有保護視力、平穩(wěn)血糖、抵抗肥胖和炎癥等功效, 對于延緩衰老和預防心血管疾病也有積極作用[3-5]。近年來, 花青素的保健功能得到公眾的廣泛關注和認可, 含有花青素的鮮食玉米很受消費者的歡迎。本文闡述了花青素玉米育種的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢, 為花青素玉米產品的開發(fā)利用提供參考。

1 玉米中花青素的生物合成

1.1 花色苷結構

在植物中, 花青素中間三碳環(huán)上的3位羥基如與單糖木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、鼠李糖等形成苷鍵就被稱為花色苷、花青苷。圖1是玉米中常見花色苷的結構, 該結構中R1、R2和R3位置上的基團差異導致產生不同的花青素單體形式（表1）[6]。

表1 玉米中常見的花青苷形式[6］Table 1 Common anthocyanin molecules in maize[6］

圖1 玉米中常見花色苷的結構Fig.1 Structure of the most common anthocyanin molecules in maize

花青素可以有效地消除氧自由基, 不同的R基團使得各種花青素單體抗氧化活性水平不同。在體外氧自由基吸收能力（oxygen radical absorbance capacity, ORAC）的評估中, 矢車菊素-3-葡萄糖苷（cyanidin-3-glucoside, C3G）具有最高的ORAC活性[7]。此外, 發(fā)生在3-O-糖苷位點上的丙二?；瘜μ岣呋ㄇ嗨亟Y構的穩(wěn)定性及在水中的溶解度非常重要, 糖苷的丙二酰化程度越高, 花青苷的結構越穩(wěn)定[8]。

1.2 玉米中花青素的合成調控

玉米中花青素合成途徑（圖2）中相關代謝酶對應的結構基因包括c2(CHS)、a1（DFR）、a2（ANS）、bz1（UFGT）、bz2（GST）、pr1(F3’H)[9]。此外, 花青素合成還需要轉錄因子來調控這些功能基因, 轉錄因子主要有2類：MYB類和bHLH類。MYB轉錄因子編碼基因包括c1（colored aleurone 1 or clorless 1）、pl（purple plant）、p1（pericarp color 1）；其中c1和pl是在不同組織表達的同源基因, 蛋白相似性為80%, 編碼的轉錄因子必需和bHLH類R/B結合才能調控激活結構基因a1和bz1,c1在籽粒上色, 而pl僅在營養(yǎng)器官上色[10]。第3個p1基因編碼的蛋白可以直接激活結構基因a1, 該基因既參與花青素的合成, 也是不溶于水的紅色素鞣紅合成必需的, 穗軸的紅色即為鞣紅[11]。bHLH類轉錄因子基因包括b1（booster 1）、r1（red color 1）、lc（leaf color）、sn(scutella node color)。b1和r1基因序列相似性高, 編碼產物R/B與C1共同調控花青素合成。lc、sn和r1均位于10號染色體的同一Bin之中, 為R/B家族的等位基因[12]。轉錄因子的組織特異性表達決定了花青素積累的部位, 玉米單倍體誘導系R1-nj就是R1（r1）的等位基因, 它決定了含有該位點的單倍體在胚尖和籽粒頂部積累花青素[13]。除了上述轉錄因子, 還有編碼WD40蛋白的pac1（the pale aleurone color 1）基因, 調控種子糊粉層中的花青素合成[14]。

由于花青素合成步驟較多, 代謝過程中某個環(huán)節(jié)代謝酶或者轉錄因子失去功能就會導致植株或者籽粒顏色發(fā)生變化。圖2顯示的是F3’H突變之后, 矢車菊素合成受到影響, 籽粒顏色從紫色變?yōu)榧t色[15]。

圖2 玉米中花青素合成途徑Fig.2 Schematic representation of the anthocyanin pathway in maize

2 花青素玉米的用途

花青素玉米是富含花青素的紫玉米、黑玉米和彩色玉米的總稱。這些玉米通常是玉米籽粒的種皮或者1層糊粉層細胞積累花青素, 主要用作鮮食。隨著人們生活水平的逐步提高, 餐飲文化經歷了顛覆性的改變, 粗糧逐漸取代細糧成為餐桌上的新寵, 鮮食玉米以其口感獨特、營養(yǎng)豐富、高蛋白、低脂肪的顯著特點而備受青睞?；ㄇ嗨刈鳛榭寡趸镔|, 其保健功能也越來越被公眾認可, 花青素玉米的市場需求潛力巨大。除了鮮食以外, 提高花青素玉米的深加工力度, 將新鮮采摘的穗子制成速凍玉米棒、玉米粒和真空包裝玉米棒等產品, 可以延長產品的“保鮮”時間, 解決季節(jié)性生產過剩的問題。

除了籽粒, 莖稈、穗軸和葉片等部位也會富集花青素, 可以用作青貯玉米或工業(yè)提取原料用于食品、飲品及化妝品等?；ㄇ嗨赜衩捉斩捵鳛榍噘A飼料, 可以提高家畜家禽3%~5%的消化吸收率[16], 增強反芻動物抗氧化性能[17]。

花青素玉米用作工業(yè)原料提取花青素主要可以替代歐洲越橘和藍莓作為保健品的原材料, 大大地降低成本, 其次是作為天然色素。作為工業(yè)提取原料, 花青素玉米主要有以下2點優(yōu)勢。①生產方式簡單高效, 生產成本低?；ㄇ嗨赜衩追N植方式和普通玉米種植方式一致；提取花青素用的莖稈、苞葉、葉鞘和穗軸均是農業(yè)生產的廢棄物, 原料成本比藍莓鮮果等大幅降低。②儲存穩(wěn)定性好?；ㄇ嗨赜衩浊o稈、苞葉、葉鞘和穗軸晾干后, 可常溫長期保存, 便于大規(guī)模提取原料的收儲。藍莓鮮果等漿果類或含水過高的原材料則需要低溫保存, 這也會提高生產成本。

有研究人員用花青素代謝調控基因b1和cl作為可視化選擇報告基因, 以epsp作為篩選標記構建載體, 轉化玉米, 建立轉基因可視化跟蹤表達系統(tǒng)。通過觀察轉基因種子的顏色直接確認外源基因是否整合進基因組且高效表達, 該系統(tǒng)的應用可以簡化篩選程序, 提高工作效率, 節(jié)約檢測成本[18-19]。近年來, 基因編輯技術發(fā)展迅猛, 研究人員利用花青素標記輔助的CRISPR（anthocyaninmarker assisted CRISPR, AAC）技術, 將OsC1和CRISPR/Cas9共轉化水稻, 可以在愈傷培養(yǎng)階段選擇Cas9表達升高的轉化體, 并且在大田中通過維管束、葉片及穎殼頂部的顏色鑒定不帶有轉基因骨架的基因編輯陽性植株[20], 相信這一技術可以很快在玉米中得到應用。

3 花青素玉米的育種進展

3.1 花青素玉米品種的審定情況

近幾年, 國內鮮食玉米市場需求增長迅猛, 一年四季均可見到鮮食玉米的身影。我國鮮食玉米年種植面積達134萬hm2以上, 是目前全球最大的鮮食玉米生產國和消費國[21]。雖然花青素玉米與鮮食玉米中其他類型（甜玉米、糯玉米和甜加糯玉米等）相比, 起步較晚, 口感等方面還有很大的提升空間, 但是近幾年花青素玉米的研發(fā)也有了很大的發(fā)展。2001—2010年, 我國共有91個鮮食玉米品種通過國審, 其中含有花青素的品種有11個, 占國審鮮食玉米總數(shù)的12.1%；2011—2020年, 我國鮮食玉米國審品種共有209個, 其中含有花青素的品種有46個, 占國審鮮食玉米總數(shù)的22.0%（圖3）。

圖3 我國花青素玉米品種審定趨勢Fig.3 Trend of variety approval of anthocyanin maize in China

3.2 花青素玉米起源與進展

花青素玉米有著悠久的栽培歷史, 起源于拉丁美洲的紫玉米‘maíz morado’, 其籽粒中花青素的含量可達到干重的1.6%。直到現(xiàn)在, 紫玉米制成的玉米餅（purple tortillas）和“Chicha Morada”飲料在拉美的一些國家都很流行。在秘魯?shù)葒? 紫玉米來源的花青素常用來作為天然染料對毛線等針織物進行染色。然而‘morado’這個栽培種由于氣候等原因在歐洲和北美地區(qū)不能正常生長和結實[22]。花青素含量越高的自交系越容易出現(xiàn)結實差和粒裂、粒腐現(xiàn)象, 2個花青素含量高的自交系組配成的雜交組合更容易出現(xiàn)產量低和抗性差的問題, 所以富含花青素的紫玉米種質資源匱乏, 種植基礎薄弱。因此, 與其他普通玉米相比, 選育出花青素含量高且產量高、抗性好的品種難度較大。

2001—2010 年和2011—2020年間, 國家審定的含有花青素的玉米品種中分別有6和8個品種的籽粒富含花青素（非白紫相間或花色）（表2）。

表2 富含花青素的國審玉米品種Table 2 Anthocyanin maize variety approved by the National Crop Variety Approval Committee of China

除了國家審定的品種外, 還有很多省級審定的富含花青素的優(yōu)質玉米新品種, 如淮科糯2號和濉黑糯3號, 這2個品種穗軸中花青素含量分別高達5%和4.5%, 籽粒中花青素含量分別為0.8%和0.3%[23-24]；還有晉糯10號、黑甜糯168、黑甜糯631、桂黑糯609、黑糯118等富含花青素的品種。

目前, 科研人員選育出的花青素玉米品種多樣, 包括糯、甜和甜加糯等多種類型, 并且很多品種中蛋白質、氨基酸和葉酸、硒、鐵、鋅等微量元素的含量均高于其他鮮食玉米類型, 所以開發(fā)多性狀聚合的營養(yǎng)功能型玉米品種也是今后花青素玉米的育種方向。

4 基因工程花青素玉米

在玉米籽粒的花青素合成中,ZmC1在R基因（如ZmR2）激活下調控ZmCHS、ZmDFR和ZmBz1的表達,ZmC1的缺失會阻礙玉米籽粒胚和胚乳中花青素的合成[25]。

常規(guī)花青素玉米通常是玉米籽粒的種皮或者一層糊粉層細胞積累花青素, 導致籽粒中花青素含量與越橘、藍莓等果實相比偏低很多。本研究團隊利用胚乳和胚特異表達的啟動子驅動花青素合成的調控基因導入到白色籽粒玉米中, 得到了在胚乳、種皮和胚（圖4）中積累花青素的全籽粒紫色玉米和紫胚玉米[26-27]。全籽粒紫色玉米花青素含量2 910 mg·kg-1, 與藍莓含量相當, 組分與常規(guī)紫玉米籽粒無差異。紫胚玉米授粉后12 d即有顏色顯現(xiàn), 用該材料和30多個黃色籽粒自交系雜交均可在F1籽粒胚上著色, 表明這些自交系中花青素合成的結構基因都正常, 籽粒表現(xiàn)黃色是某個調控基因功能有缺陷產生的結果。

圖4 玉米花青素基因工程產品Fig.4 Genetic engineering anthocyanin corn

但是轉基因玉米尚未獲準商業(yè)化種植, 全籽粒紫色玉米和紫胚玉米這兩類材料還在依法依規(guī)開展研究, 以便未來可應用于花青素保健品原料的高效提取和創(chuàng)制新型單倍體誘導系。

5 結語

目前, 我國人口老齡化問題嚴重, 老年人口數(shù)量逐年增長, 為我國大健康產業(yè)帶來發(fā)展契機, 對大健康產品的需求也日益旺盛。“藥食同源”既將藥物作為食物, 又將食物賦以藥用；既具有營養(yǎng)價值, 又可防病治病、強身健體、延年益壽, 對健康有益的食品持續(xù)攝入可以保持中老年人遠離亞健康狀態(tài)。同時, 隨著“健康中國”理念深入人心, 普通老百姓深刻認識到沒有全民的健康就沒有全民小康, 特別是2019年末至今新冠疫情爆發(fā)以來, 人們對提高個體自身免疫力的重要性有了更深層次的理解, 大眾保健意識空前高漲, 強健的身體是防范疾病和抵抗瘟疫的根本, 而且通過健康、營養(yǎng)、合理的膳食攝取必需的營養(yǎng)素正在成為所有人的共識。近幾年, 雖然農業(yè)科研工作者在包括花青素玉米在內的優(yōu)質高端功能型鮮食玉米的研究上取得了很大進展, 但是這些品種尚未成為主流消費產品進入市場, 未來具有廣闊的前景。

隨著種植業(yè)結構調整和現(xiàn)代農業(yè)高質量發(fā)展的推進, 我國對鮮食玉米的需求將不斷加大, 并且向多元化、高質量的趨勢發(fā)展。由于種植包括花青素玉米在內的功能型鮮食玉米的經濟效益是傳統(tǒng)玉米的3倍以上, 成為郊區(qū)低收入戶脫貧增收、農民增收致富、居民體驗農業(yè)的重要途徑, 實現(xiàn)數(shù)量型農業(yè)向營養(yǎng)型農業(yè)的轉變。

面對如此廣闊的市場前景, 未來, 科技工作者可以將基因編輯和代謝工程等多種生物技術手段用于花青素生物育種, 并深度挖掘和創(chuàng)制具有不同花青素及花青素含量更高的種質資源。