抗UV—B辐射植物黄酮类化合物研究进展

生态学杂春 2001，20(6)：36—40 Chinese Journal of Ecology 抗 uv．B辐射植物黄酮类化合物研究进展 李 鹏 李祺福 黄胤怡 (厦门大学肿瘤I程与细胞生物学教育部重点实验室，厦f1 361005) 黄汝多 (安徽大学生命科学学院，合肥 230039) TheAdlvm ofPlantF1w／anoids ofAnti-UV-BRadiationResearch．Li Peng．LiQifu，HuangYin：(KeyLaboratory ￡BioloKy and Tumot" ￡Engineering，胁 础 ofEducation in Xiamen UniT~ersity．Xian~n 361005)，Huang Ruduo(Schoot of Life sc{mcesinAnhaiUniversity，He忙 230039)．Chineselournal ofEco／ogy 2001 20(6)：36一墒． Flavonoids have many biological functiorts．The research methods of their anti—UV are developed from the s劬 d of bio— ic individual and apparatals t0 the research of molecular syathesis Their antkuV meehsa~sm rnay he through the elim— inationof oxyRlmfree radicals orthe absorbent 0fuV．Great attention should be paidto protective(1avor~ids K 训_ ：Uv．B．tlavonoids．anti—UV·B radiation 中田分类号： 46 文献标识玛：A 文章编号：1000—4890(2001)06—0036~05 几十年来，黄酮的生物学作用开发研究已成为 国内外研究的一个热点，其抗癌、抗过氧化和抑制心 脏病的发生已引起人们瞩目。而黄酮类化合物的抗 紫外保护，只是近几年才得到重视。本文着重讨论 进几年，黄酮类化合物在植物体中紫外保护作用的 研究进展。 1 UV-B辐射殛其生物学效应 uv(紫外线)辐射，根据其能级及波长可分为 三级。uv．A(315～400nm)辐射，可穿过臭氧层全 部到达地面iuv．c(200～280nm)辐射几乎全部被 大气层吸收；u B(280～315nm)辐射除部分被臭 氧层吸收外，其余可到达地面，固生物体内核酸、蛋 白质等生物大分子在 260，280nm左右有吸收峰，困 此，uv．B辐射对生物体具有威胁作用(通常所说的 紫外辐射也就是指 uv—B辐射)。主要现在使生 物体核酸、蛋白质等大分子变性⋯；使植物体叶绿 素ehla．chlb含量下降．从而影响光合作用效率_2l3 ； 破坏生物细胞质膜机构物质，使其透性发生变化，导 致细胞自溶。目前认为某些植物具有抗 uv．B辐 射，即对穿越臭氧层空洞后到达地面高强度的uV— B射线产生的危害具有保护及适应能力。 黄酮类化合物是植物合成的一种次生代谢产 物．目前已知化学结构的有 3000多种．基本结构是 由两个芳香环( )和一个 单位联接成的 15碳化 合物(图1)组成。根据 G 单位氧化程度的不同．又 分成不同种类，如黄酮醇、黄烷酮、异类黄酮以及花 色紊苷。黄酮类化合物具有多种生物学功能，目前 研究较多的是对植物花色的影响、作为植物的抗毒 性、抗肿瘤药物的开发等。1999年。Christine在英 国伦敦发起了“wake up to the Flavonoids'’学术讨论 会，探讨对黄酮类化合物生物学价值的开发。1982 年，Ebei和 Hahlbrock发现黄酮类化合物具有吸收 紫外线，从而防止其对生物体危害的能力l4】。现在 认为，抗 uv．B化合物在植物体中可能有多种形式， 但其中最主要的一种方式依赖于黄酮类化合物，尤 其是黄酮类色素，这类化合物广泛存在于绿色开花 植物的近茎叶的表皮细胞、叶蜡及叶茸毛中(图2)． 能够明显吸收 280～315nm 区的 uv．B射线，使植 物体器官组织，尤其是光合作用组织免受或少受辐 射损害，因此。又称为“uv．filter” j。 R1．Rz'R3和凡 代表修饰基团 图 1 黄酮类化台物的基本结构 Fig．1 Basic chemical 3m l吐Ll地 of flavo~ ds 作者简介：李鹏，男．25岁。细胞生物学顿士研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 李量等：抗 UV-B辐射植物黄酮类化台物研究进展 37 2 抗 uv．B辐射植物类黄酮研究方法进展 20世纪 90年代以来，国内外学者对黄酮类化 合物抗 uv—B辐射进行全面研究。 目前，对黄酮的 UV—B辐射防护研究已从生物学个体、器官水平深 入到分子生物学阶段．并对黄酮抗 uV—B的可能机 理进行了探讨。 2．1 植物体突变型差异研究 对黄酮抗 uv—B辐射研究始于对植物体的野生 型和突变型差异进行对比研究。一般说来，抗 uv_ B辐射野生型植物存在抗 uv—B辐射的保护性黄酮 (UV-B protective flavonoid)。经过各种物理或化学 手段使黄酮丧失或降低的植物体．称为突变体。研 究两种不同类型的个体在 uv—B辐射前后的化学成 分、生物学效应(如光合作用强度)来探讨黄酮的抗 UV-B辐射作用。目前研究较充分的是拟南荠，经 过处理的突变体，其近茎叶表皮细胞缺乏野生型个 体的黄酮类化合物山奈黄紊．对人造的 UV-B射线 非常敏感l6】。其它植物的突变体研究也得到类似 结果。以玉米为例。野生型个体为蓝叶玉米(内含花 色素苷)．绿叶玉米为栽培变种(不含花色素苷)。经 UV-B辐射测定DNA，发现蓝叶玉米 DNA损伤程 度远远小于突变型．并发现另一种色素黄酮花色素 系L1 。另一种研究较多的植物是豆科(Hordeum vulgate)，其突变体仅仅含有 7％的黄酮类化合物 (主要是芹菜苷和毛地黄苷的糖苷类)。经uv—B处 理的突变体的光合作用效率明显下降．而野生型则 保持正常．并且皂草苷、大麦黄苷等次生黄酮分别提 高了30％和 5O％L8 J。 2．2 UV-B辐射防护性器官的黄酮研究 保护性黄酮主要分布在植物体近茎叶表皮细 胞、叶蜡和叶茸毛及新生幼苗或幼叶中(表 1)。多 项实验证明含有大量黄酮的器官和组织往往和植物 体的 uv．B辐射防护有关．这些器官组织对维持高 强度辐射下植物体光合作用的正常进行、生物幼体 的正常生长具有特殊意义l9】。研究这些器官组织 是了解抗紫外辐射黄酮的一种途径 Skalcsa认为 圣标叶茸毛中的黄酮糖苷具有 uv．B辐射防护作 用。测定缺乏叶茸毛的植株的光合作用强度表明． 植株的光和系统Ⅱ工作效率在辐射后明显下降_l0】。 裸子植物欧洲赤松植株中黄酮主要为山亲黄紊和 3一糖苷．扮}皮紊的二酞基衍生物，uv—B辐射处理后． 两种化合物浓度都有所提高，处理的突变体的光合 作用效率明显下降．而野生型则保持正常。山亲黄 紊衍生物变化在初生松针较为明显．浓度可达2．4 tool·g_。，而斟皮紊衍生物则在子叶松针变化较 (矢车菊苷元)显示和抗 UV-B辐射有剂量一效应关 大，最高浓度可达 0．8～0．9 tool·g一 [ 。 衰 1 保护性黄■在拉鞠体中定位 Tab．i The position of protective ilavcnoids in the pI蚰协 2．3 植物体内黄酮合成研究 黄酮合成首先是由1分子4．香豆酰．CoA和 3 分子丙二酰．CoA在苯基苯乙烯酮合成酶(查尔酮台 酶。CHS)催化下产生苯基苯乙烯酮开始的．其中香 豆酰．CoA是从苯丙氨酸经过三步酵促反应形成的， 这三步反应同时也为其他多种化台物(如木质紊、芪 类化合物和香豆紊)的合成提供了前体．因此被称为 general phenylpropanoid pathwayt12]0 而 丙 二 酰． CoA来源于乙酰．CoA的羧化．后者是三羧酸循环的 产物。苯基苯乙烯酮生成后，由异构酶倦化形成黄 烷酮。以这个中间产物为中心，合成途径产生了多条 分支，以合成不同种类的黄酮类化合物。 维普资讯 http://www.cqvip.com 生态学杂意 第 20卷 第 6期 r』、 百 i 苯丙鼻t 删I 0ll b 肿 1 — all O 瑚 花 ，着瞽 香要■bc ，术魔蠢 『黻 1昔豆素 、麒 花青素，I苷 PAL：苯丙氨酸脱氨醇；c．H：内挂酸投化酶；4CL：4-香豆酰CoA连接酶；cHs．苯基苯乙姆膏台戒酶； CHI：苯基苯乙烯酮黄烷酮异梅酶 ；RH：黄烷酮 3一羟化醇；DFR：二氢黄酮醇 4一还原醇；IFS：异娄黄酮台虚醇 圈2 黄酮类化台韧台戚遣径 Fig 2 The野呲h d∞ ptcce-~ offlavonoids 国内外学者的独立实验研究表明，植物体的 。而 Liu等人也发现．在正常豆科植物叶子中。其表 u B保护作用是通过影响黄酮合成的 pathway来 皮、叶肉等光合作用组织中．黄酮糖苷含量明显高于 完成的n 通过苯丙酸合成的抑制剂(AIP，2-氨基 其他组织，而其前体阿魏酸酯则较低(15】。 一 碘．2—磷酸)的研究发现，药物处理后植物易于受 u B辐射影响。用 50／~m的 AlP处理的 Red cab． hge幼苗中，花色素苷合成被完全阻断．而苯丙氨 酸前体芥子酸醣却没有改变。药物处理组植物的 UV-B敏感程度提高了两倍n 。同样结果出现在 Arabidopsisthaliana，UV-B辐射后．突变体中苯丙 酸含量明显下降。而芥子酸酯的含量不受射线影响 3 植物类黄酮化合物抗UV-B辐射的机理 黄酮类化合物的 UV-B保护作用．目前可认为 有两种可能。 一 种观点认为 UV-B辐射后，生物体内保护性 黄酮明显激增，这类黄酮往往是 自由基(如羟自由 基、氧自由基)的清除剂。自由基是辐射后，导致生 k 维普资讯 http://www.cqvip.com 李量等：抗 UV-B辐射植物黄酮类化台物研究进展 物体过氧化反应的主要原因之一，能作用于生物膜， 攻击质膜上的不饱和脂肪酸，使质膜损伤或细胞自 溶。而生物体内的4．羟基黄酮等转变成保护性黄 酮，主要是3，4-二羟基黄酮(如异构．荭草苷、槲皮素 苷、毛地黄苷等)，能清除氧化自由基，从而起到了 uv．B防护作用‘l 。通过研究植物体内黄酮醇、黄 烷酮发现．辐射前后保护性黄酮的比率有较大改变。 稻科植物 B．napus，紫外线辐射后，耐受型植株中 三种异构．荭草苷的量有所提高，而 4"-羟基黄酮异 牡荆苷的含量下降。而在u B敏感型植株中，则 没有发现 3．4-二羟基黄酮[”】。更确凿的证据来 自 于郁金香科植物 Brassica napus的叶表皮细胞中， 黄酮的种类和uv．B辐射生物学效应有关。其中， 3'-槐塘苷．7．葡萄糖苷．山奈草苷和槲皮索在辐射后 前者无明显变化，而槲皮紊在栽培组作物 Patoll和 Stallion中分别上升了 36倍和 23倍u 。同样， Marchantia等在地钱科生物 Marchantia pol3~nor． 砷a中发现和B．napus相类似的研究结果，其叶状 体中的黄酮 是 7．葡 萄糖苷酸 芹苷和毛地黄苷。 uv．B辐射处理 3个月。黄酮总量没有明显变化，但 是芹苷：毛地黄苷的比例有改变，毛地黄苷含量大幅 度上升【 1。 另一种观点认为，黄酮类化合物在uv．B射线 的波长范围内具有光吸收作用，减低了uv．B对核 酸、蛋白质等大分子的破坏作用，保护了生物体。例 如．没有芳香酰化的花色素苷在280nm具有紫外吸 收作用。另一项证据来 自于叶蜡中的黄酮类化合 物，与位于表皮细胞内水溶性黄酮葡萄糖苷相比，其 主要为游离状态(不结合糖基)．并表现为 O．甲基化 和亲脂性 等特征。这种 。甲基化合物被认为在 (230～320nm)处具有特异吸收短波长紫外线的能 力。如在 GMphalium两种杂交系中，G．口 m．vira 有两种 。甲基化黄酮 araneol(5，7．二羟基．3，6．8-三 甲氧基黄酮)和 7．O-araneol。u B辐射 20d后．7． 甲基醚含量增加，5．7．二羟基．3．6．8-三甲氧基黄酮 则降低。叶表面分泌的 7．甲基醚浓度从0．42 Isg-10g 提高到0．52 g-10g—t 在 G．1uteo-album 中，表皮细胞内的黄酮为鼠曲草素(5．7．二羟基⋯3 8 二甲氧基黄酮)和毛蕊素(5．4 ．二羟基．3．6．7，8-四 甲氧基黄酮)等。u B辐射21d后．黄酮产量有所 提高．并发现同样具有紫外吸收的内源性酚类化合 物(主要为咖啡酸酯 高出 2倍【2 。提示生物体的 UV B保护作用可能和其体内具有光吸收性的化合 物有关[2ll。 4 结 语 生物体在抗紫外线辐射的能力上是有差别的， 与和其体内的黄酮含量、类型和结构等有密切关系。 现在，黄酮的抗紫外辐射、抗过氧化的研究等在国内 外也是方兴未艾，特别是随着人类对环境问题的日 益重视，黄酮的抗 UV-B辐射的研究具有广阔的前 景。我国生物资源丰富，特别是含有黄酮类化合物 的药用植物繁多，研究和筛选抗紫外辐射黄酮具有 明显优势。但目前对黄酮的研究仍着重于黄酮类化 合物的抗紫外筛选上，其局限性是不言而喻的。如 已有人注意到从酶调节、基因调节水平上阐明其机 理‘22 J。例如，最近发现，cHs(苯基苯乙烯酮合成 酶)和生物体损伤保护的密切关系[23]。 参考文献 [1] Mushy,T F．M虹nbr蚰e圈协啊脚 of ukravinlet mdi~ a[J]． nz Pkys／d，1983，58．381． [2] Teramura．A．H．et e1．a唧 葛in gxowih —略∞ c pacit~of ricewith reB＆eduV．B rac~ on[J] ，I ．Plaat， 1991 ∞ ：373． [3] Booj-Ja~aes．I S et a1．UltraWoht-B radlatim ．皿 light-medl— atnd 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screening and clIaIo州 ! syth~e raRNA needles ofsc∞ 【le edl_叩 [J]．New 旬 n，1996，132：247—258． [12] V册 Tuen．A．J．andMd J．N．M．Controlof na t10id synthesis andmanipuhtionofflower color[J]． nlB }I 一 ，1991， 2：94—125 [13] L 咖 n，E．毗 uV light蚰l v ∞ d嘴 轴p—y p矗fh- wa ftora primary metabolism and flacanold secondary product Iomarj0nin parsl廿 [J]． ∞ 增 口， NationalAcademy 维普资讯 http://www.cqvip.com 40 生卷学杂志 第 2O卷 第 6期 (上接第28页) 到显著水平，偏相关系数分别为 0．591和 0．442。 说明细菌数量和蛋白酶活性是影响毛竹粗生长的主 导因子。通过逐步回归得回归方程为．Y=4．2026 +8 827x100 xl+7．368x#，复相关系数为0．9596． 偏相关系数分别为 r(y， 1)=0．7670，r(y，】c6)= 0．5569结果和多元线性回归一致，充分说明影响毛 竹眉径的主导因子是土壤细菌数量和土壤蛋白酶活 性。 3．2 对23块地的 8项生物学性质进行聚类分 析．可将竹林地分为 3类：即高生产力型、中等生产 力型和低生产力型，它们所占比例分别为 34．8％， 47．8％和 17．4％，其平均眉径分别为 10．6．9．1， 6．6cm。 参考文献 [1] 何黎嘎。叶忡节．多元分析方法在毛竹林土壤研究中的作甩 【J】．竹子研究 刊．1987．6(4)：28—39． [2] 黎担尧．土壤对毛竹眉径生长影响的矸兜【J】．竹子研究 刊． 1993．12(3)l29一" ． I3】 镄俊尤．蕞事论与应用境计[J]．北京 中目统计出慧牡．1992． 9． 【4] 璩毕癸．土壤徽生物学 [M】．上 海；上棒辩学技术出疆杜． 1981． [5] 美 橙荫 土壤酶厦其研究皓 [M】．北京：中譬农业出恒牡． 1986． I6] 许醵。杜孟庸．周健学．苷．有机钫辩对土壤醇活性影响关连 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