• 中国中文核心期刊
  • 中国科学引文数据库(CSCD)核心库来源期刊
  • 中国科技论文统计源期刊(CJCR)
  • 第二届国家期刊奖提名奖

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

3种石斛属植物类胡萝卜素成分及代谢途径分析

黄昕蕾 王雁 张辉

引用本文:
Citation:

3种石斛属植物类胡萝卜素成分及代谢途径分析

    作者简介: 王雁, 博士, 研究员.E-mail:chwy8915@sina.com.
  • 基金项目:

    国家科技支撑计划 2013BAD01B0703

  • 中图分类号: S718.43

Analysis of Carotenoids Compounds and Their Biosynthesis Pathways in Flowers of Three Dendrobium Species

  • CLC number: S718.43

  • 摘要: 目的 分析黄色花石斛兰盛开期花瓣中的类胡萝卜素种类和含量,推定石斛属类胡萝卜素合成途径,为探讨黄色花石斛的呈色机理和黄色花育种提供参考。 方法 以花色为黄色的鼓槌石斛、密花石斛和球花石斛的盛开期花瓣和唇瓣为试验材料,采用英国皇家园艺学会比色卡进行花色描述,利用合相色谱串联三重四极杆质谱仪(UPC2-MS/MS)进行类胡萝卜素定性、定量分析,推测石斛属类胡萝卜素代谢途径。 结果 表明:3种石斛属植物花瓣和唇瓣色系可分为白色系和淡黄-明黄-金黄色系,花瓣和唇瓣中共鉴定出8个类胡萝卜素组分,分别是β-胡萝卜素、α-隐黄质、β-隐黄质、紫黄质、叶黄素、花药黄质、玉米黄质和叶黄素酯化物。定量分析显示:球花石斛白色花瓣中类胡萝卜素含量极少,总量约为52.26 μg·g-1,随着黄色加深,类胡萝卜素总量逐渐增加,球花石斛金黄色唇瓣中的类胡萝卜素总量最高,达到3 810.89 μg·g-1。密花石斛淡黄色花瓣中以叶黄素为主;球花石斛和密花石斛金黄色唇瓣中主要是α-隐黄素、叶黄素和叶黄素酯化物;明黄色鼓槌石斛花瓣中以玉米黄质、花药黄质和叶黄素为主。 结论 α-胡萝卜素及其衍生物是淡黄色和金黄色石斛花瓣中的主要类胡萝卜素成分,而β-胡萝卜素及其衍生物是明黄色石斛花瓣的主要类胡萝卜素成分。结合类胡萝卜素代谢途径,推测通过调控LCYE基因的表达,可实现黄色花石斛的花色定向改良。
  • 图 1  3种石斛属植物盛开期花色表型

    Figure 1.  Flower color of three species of Dendrobium at fully opened stages

    图 2  3种石斛属植物花瓣和唇瓣中类胡萝卜素组分的UPC2图谱(检测波长450 nm)

    Figure 2.  UPC2 chromatograme of carotenoids compounds in petals and labellums of three species of Dendrobium(Detection waudio-videoelength 450 nm)

    图 3  植物类胡萝卜素合成途径

    Figure 3.  Carotenoid biosynthesis pathway in plants

    表 1  3种石斛属植物花瓣和唇瓣中类胡萝卜素结构推定

    Table 1.  Analysis of carotenoids in petals and labellums of three species of Dendrobium

    保留时间
    Retention time/min
    检测波长
    Detection waudio-video length λmax/nm
    母离子
    Parent ion
    二级离子(MS2)
    Second ion
    推定结果
    Tentative Identification
    推定依据
    Constructive basis
    2.52 435,461 536 444 β-胡萝卜素β-carotene 标品
    4.33 431,458 552 460 α-隐黄素α-cryptoxanthin [15]
    4.50 436,462 552 - β-隐黄素β-cryptoxanthin [15]
    4.99 431,458 613 335 叶黄素酯化物Lutein-5, 6-epoxide 标品
    5.13 429,456 601 - 紫黄质Violaxanthin [15]
    5.26 432,459 568 - 叶黄素Lutein 标品
    5.33 432,457 584 568 花药黄质Antheraxanthin [15]
    5.55 438,463 568 - 玉米黄质Zeaxanthin 标品
    注: “-”:未检测到或不存在。Notes: “-”:Not detected or not existed。
    下载: 导出CSV

    表 2  3种石斛属植物类胡萝卜素组分的定性定量分析

    Table 2.  Quantitative analysis of carotenoids in petals and labellums of three species of Dendrobium

    μg·g-1
    组分
    Component
    密花石斛-唇瓣
    Den. densiflorum labellums
    密花石斛-花瓣
    Den. densiflorum petals
    球花石斛-唇瓣
    Den. thyrsiflorum labellums
    球花石斛-花瓣
    Den. thyrsiflorum petals
    鼓槌石斛-花瓣
    Den. chrysotoxum petals
    β-胡萝卜素β-carotene 14.32±1.38 2.99±0.28 20.06±0.56 0.64±0.05 30.03±2.46
    α-隐黄素α-cryptoxanthin 315.61±28.94 29.02±5.35 2 056.96±62.44 - 20.80±1.92
    β-隐黄素β-cryptoxanthin 4.18±0.09 - 13.78±1.04 0.05±0.01 23.04±0.51
    叶黄素酯化物Lutein-5, 6-epoxide 265.56±24.43 23.30±4.78 431.48±31.12 - 3.89±0.24
    紫黄质Violaxanthin 37.17±4.55 2.84±0.46 64.94±0.85 - 10.44±0.08
    叶黄素Lutein 247.82±18.34 103.66±10.72 812.20±33.77 51.57±0.72 166.09±3.74
    花药黄质Antheraxanthin 41.20±6.21 1.20±0.06 265.57±4.04 - 108.20±4.63
    玉米黄质Zeaxanthin 24.36±3.02 - 145.90±3.80 - 451.00±12.41
    总计Total 950.22 163.01 3 810.89 52.26 813.49
    注:“-”:未检测到或不存在。Notes:“-”:Not detected or not existed.
    下载: 导出CSV
  • [1] 戴思兰, 洪艳.基于花青素苷合成和呈色机理的观赏植物花色改良分子育种[J].中国农业科学, 2016, 49(3):529-542. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2016.03.011

    [2]

    Tanaka Y, Ohmiya A. Seeing is believing:engineering anthocyanin and carotenoid biosynthetic pathways[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2008, 19(2):190-197. doi: 10.1016/j.copbio.2008.02.015
    [3] 安田齐.花色之谜[M].北京:中国林业出版社, 1989.

    [4]

    Grotewold E. The genetics and biochemistry of floral pigments[J]. Annual Review of Plant Biology, 2006, 57(1):761-780. doi: 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105248
    [5]

    Nisar N, Li L, Lu S, et al. Carotenoid Metabolism in plants[J]. Molecular Plant, 2015, 8(1):68-82. doi: 10.1016/j.molp.2014.12.007
    [6]

    Ohmiya A. Qualitative and quantitative control of carotenoid accumulation in flower petals[J]. Scientia Horticulturae, 2013, 163(6):10-19.
    [7]

    Ohmiya A. Diversity of carotenoid composition in flower petals[J]. Japan Agricultural Research Quarterly, 2011, 45(2):163-171. doi: 10.6090/jarq.45.163
    [8]

    Zhu C F, Bai C, Sanahuja G, et al. The regulation of carotenoid pigmentation in flowers[J]. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2010, 504(1):132-141. doi: 10.1016/j.abb.2010.07.028
    [9] 王雁, 李振坚, 彭红明, 等.石斛兰-资源.生产.应用[M].北京:中国林业出版社, 2007.

    [10] 王雁, 周进昌, 郑宝强, 等.石斛兰[M].北京:中国林业出版社, 2014.

    [11] 吉占和, 陈心启, 罗毅波, 等.中国植物志-十九卷兰科(三)[M].北京:科学出版社, 1999.

    [12]

    Kanchit T. Flower pigments in yellow Dendrobium species and hybrids[D]. Honolulu: University of Hawaii, l984.
    [13]

    Mudalige R G, Kuehnle A R, Amore T D. Pigment distribution and epidermal cell shape in Dendrobium species and hybrids[J]. Hortscience, 2003, 38(4):573-577. doi: 10.21273/HORTSCI.38.4.573
    [14]

    Silva J A T D, Aceto S, Liu W, et al. Genetic control of flower development, color and senescence of Dendrobium orchids[J]. Scientia Horticulturae, 2014, 175(1):74-86.
    [15]

    Jumaah F, Plaza M, Abrahamsson V, et al. A fast and sensitive method for the separation of carotenoids using ultra-high performance supercritical fluid chromatography-mass spectrometry[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2016, 408(21):5883-5894. doi: 10.1007/s00216-016-9707-5
    [16] 姜建国, 王飞, 陈倩.类胡萝卜素功效与生物技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.

    [17]

    Li X, Lu M, Tang D, et al. Composition of carotenoids and flavonoids in Narcissus cultivars and their relationship with flower color[J]. Plos One, 2014, 10(11):e0142074.
    [18]

    Rosso V V D, Mercadante A Z. Identification and quantification of carotenoids, by HPLC-PDA-MS/MS, from Amazonian fruits[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2007, 55(13):5062-5072.
    [19] 康迎春, 尹跃, 赵建华, 等. HPLC法测定枸杞鲜果中主要类胡萝卜素组成[J].食品工业, 2014, (12):270-273.

    [20] 储大燕.烟草中类胡萝卜素及其异构体的分析研究[D].北京: 中国科学技术大学, 2009.

    [21] 陈敏氡, 朱海生, 温庆放, 等. UPLC测定草莓果实中类胡萝卜素含量[J].果树学报, 2013, (4):706-711.

    [22]

    Ariizumi T, Kishimoto S, Kakami R, et al. Identification of the carotenoid modifying gene PALE YELLOW PETAL 1 as an essential factor in xanthophyll esterification and yellow flower pigmentation in tomato(Solanum lycopersicum)[J]. Plant Journal for Cell & Molecular Biology, 2014, 79(3):453-465.
    [23]

    Kishimoto S, Maoka T, Sumitomo K, et al. Analysis of Carotenoid Composition in Petals of Calendula (Calendula officinalis L.)[J]. Bioscience Biotechnology and Biochemistry, 2005, 69(11):2122-2128. doi: 10.1271/bbb.69.2122
    [24]

    Moehs C P, Li T, Osteryoung K W, et al. Analysis of carotenoid biosynthetic gene expression during marigold petal development[J]. Plant Molecular Biology, 2001, 45(3):281-293. doi: 10.1023/A:1006417009203
    [25]

    Nielsen K M, Lewis D H, Morgan E R. Characterization of carotenoid pigments and their biosynthesis in two yellow flowered lines of Sandersonia aurantiaca (Hook)[J]. Euphytica, 2003, 130(1):25-34. doi: 10.1023/A:1022328828688
    [26]

    Hieber A D, Mudalige-Jayawickrama R G, Kuehnle A R. Color genes in the orchid Oncidium Gower Ramsey:identification, expression, and potential genetic instability in an interspecific cross[J]. Planta, 2006, 223(3):521-531. doi: 10.1007/s00425-005-0113-z
    [27] 高慧君, 明家琪, 张雅娟, 等.园艺植物中类胡萝卜素合成与调控的研究进展[J].园艺学报, 2015, 42(9):1633-1648.

    [28]

    Pogson B J, Rissler H M. Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis and photoprotection[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B:Biological Sciences, 2000, 355(1402):1395-1403. doi: 10.1098/rstb.2000.0701
  • [1] 于雪丹张川红郑勇奇夏新合黄磊 . 2种花楸果实类胡萝卜素成分与果色关系. 林业科学研究, 2021, 34(1): 71-79. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.01.009
    [2] 黄昕蕾王雁 . 石斛属分子生物学研究进展. 林业科学研究, 2018, 31(3): 151-157. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2018.03.020
    [3] 刘畅孙鹏森刘世荣 . 基于反射光谱指数的锐齿栎叶片色素含量估算. 林业科学研究, 2017, 30(1): 88-98. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.01.013
    [4] 陈连庆王小明裴致达 . 石斛菌根化组培苗对P素吸收利用的研究. 林业科学研究, 2005, 18(2): 163-168.
    [5] 陈顺伟方新高朱杭瑞王志明商建宏 . N、P和调花丰产素对板栗生长及花性别调控研究. 林业科学研究, 1999, 12(3): 299-303.
    [6] 邱建生张彦雄陈菊艳田茂娟谢正华陈晓鸣 . 12个山茶属植物花的挥发性物质研究. 林业科学研究, 2015, 28(3): 358-364.
    [7] 李云飞李世明金鑫程书王松波侯军亮刘家劲段肖霞马宏马永鹏张耕耘 . 基于RAD高通量测序探讨中国85种杜鹃花属植物的分类. 林业科学研究, 2019, 32(3): 1-8. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2019.03.001
    [8] 刘红霞严东辉张星耀梁军王臻 . 刺槐种子凝集素对舞毒蛾幼虫营养代谢影响的初步研究. 林业科学研究, 2004, 17(2): 154-158.
    [9] 应震李纪元殷恒福范正琪倪穗吴斌吕焘 . 红叶山茶品种花青素苷相关基因表达水平及代谢产物分析. 林业科学研究, 2017, 30(6): 1034-1040. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.022
    [10] 刘高慧李昆孙永玉侯锐闫红 . 齿瓣石斛光合特性研究. 林业科学研究, 2014, 27(2): 265-269.
    [11] 王元成曾艺芸李振坚刘月新马秀红孙振元 . 细叶石斛和翅梗石斛花朵赋香成分的GC-MS分析. 林业科学研究, 2020, 33(3): 116-123. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2020.03.015
    [12] 倪勤武来平凡 . 浙江富阳发现野生铁皮石斛新分布. 林业科学研究, 2000, 13(2): 222-222.
    [13] 陈连庆裴致达韩宁林张守英 . 石斛菌根真菌液培生长特性的研究. 林业科学研究, 2002, 15(2): 207-211.
    [14] 邓茜玫郑宝强郭欣王雁 . 聚石斛花粉生活力及贮藏的研究. 林业科学研究, 2014, 27(5): 657-661.
    [15] 郑宝强乔红娟李柏君KAOTachung张燕王雁 . 铁皮石斛(Dendrobium catenatum)叶艺形成机制的初探. 林业科学研究, 2020, 33(4): 177-183. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2020.04.022
    [16] 宋争李潞滨梁立雄王涛 . 铁皮石斛phytocyanin基因家族全基因组分析. 林业科学研究, 2018, 31(2): 98-106. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2018.02.014
    [17] 杨曾奖周文龙 . 桉树苗期缺素症状的研究*. 林业科学研究, 1992, 5(6): 646-651.
    [18] 郭宝华何钊冯颖陈晓鸣 . 三种昆虫甲壳素提取与分析. 林业科学研究, 2008, 21(4): 561-565.
    [19] . 松阿扁叶蜂性信息素研究. 林业科学研究, 2009, 22(3): -.
    [20] 索风梅林长春王浩杰丁中文徐天森 . 松墨天牛纤维素酶的研究 I.纤维素酶性质研究. 林业科学研究, 2004, 17(5): 583-589.
  • 加载中
图(3) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  4668
  • HTML全文浏览量:  2366
  • PDF下载量:  51
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-16
  • 录用日期:  2019-04-22
  • 刊出日期:  2019-10-01

3种石斛属植物类胡萝卜素成分及代谢途径分析

    作者简介: 王雁, 博士, 研究员.E-mail:chwy8915@sina.com
  • 1. 中国林业科学研究院林业研究所, 国家林业和草原局林木培育重点实验室, 北京 100091
  • 2. 中国科学院植物研究所, 北京 100093
基金项目:  国家科技支撑计划 2013BAD01B0703

摘要:  目的 分析黄色花石斛兰盛开期花瓣中的类胡萝卜素种类和含量,推定石斛属类胡萝卜素合成途径,为探讨黄色花石斛的呈色机理和黄色花育种提供参考。 方法 以花色为黄色的鼓槌石斛、密花石斛和球花石斛的盛开期花瓣和唇瓣为试验材料,采用英国皇家园艺学会比色卡进行花色描述,利用合相色谱串联三重四极杆质谱仪(UPC2-MS/MS)进行类胡萝卜素定性、定量分析,推测石斛属类胡萝卜素代谢途径。 结果 表明:3种石斛属植物花瓣和唇瓣色系可分为白色系和淡黄-明黄-金黄色系,花瓣和唇瓣中共鉴定出8个类胡萝卜素组分,分别是β-胡萝卜素、α-隐黄质、β-隐黄质、紫黄质、叶黄素、花药黄质、玉米黄质和叶黄素酯化物。定量分析显示:球花石斛白色花瓣中类胡萝卜素含量极少,总量约为52.26 μg·g-1,随着黄色加深,类胡萝卜素总量逐渐增加,球花石斛金黄色唇瓣中的类胡萝卜素总量最高,达到3 810.89 μg·g-1。密花石斛淡黄色花瓣中以叶黄素为主;球花石斛和密花石斛金黄色唇瓣中主要是α-隐黄素、叶黄素和叶黄素酯化物;明黄色鼓槌石斛花瓣中以玉米黄质、花药黄质和叶黄素为主。 结论 α-胡萝卜素及其衍生物是淡黄色和金黄色石斛花瓣中的主要类胡萝卜素成分,而β-胡萝卜素及其衍生物是明黄色石斛花瓣的主要类胡萝卜素成分。结合类胡萝卜素代谢途径,推测通过调控LCYE基因的表达,可实现黄色花石斛的花色定向改良。

English Abstract

  • 花色是观赏植物最重要的观赏性状之一,是植物进化史上最具有适应意义的表型[1]。植物的花色是多种因子协同作用的结果,其中,色素的组成和含量以及不同色素物质的时空组合起着决定性作用[2-4]。花色素类物质主要有类黄酮、类胡萝卜素和花青素等,类胡萝卜素是一类呈黄色、橙色和红色的脂溶性化合物,目前分离和鉴定出的类胡萝卜素多达750余种,是自然界中存在最广的色素[4-8]

    色彩鲜艳的黄色花以其明朗和高贵的感觉而广受喜爱,纯正的黄色花也是石斛兰花色育种的重要目标[8-10]。目前,市场上的黄色石斛兰多为乳白、乳黄和黄绿色,而石斛兰原生种中不乏纯正明黄色种质[9-11],研究黄色花石斛兰原生种花瓣中的类胡萝卜素成分变化,对于明确花色呈色机理及育种具有重要意义。

    目前,有关石斛属(Dendrobium Lindl.)花瓣中类胡萝卜素的研究鲜见报道。Kanchit[12]于1984年利用HPLC对部分开黄色花的石斛兰杂交种盛花期花瓣进行了初步研究[12],分析结果表明,类胡萝卜素和叶绿素是使石斛属呈现黄色和绿色的重要色素。Mudalige等[13]调查了石斛兰花瓣中的色素分布,发现黄色花瓣中主要含类胡萝卜素,而其上的红色、深红棕色或褐色印记则是类胡萝卜素和花青素共同作用的结果。关于石斛属类黄酮和花青素合成相关基因的研究已逐渐深入[14],而关于类胡萝卜素合成相关基因的研究还鲜见报道。

    鼓槌石斛(Den. chrysotoxum Lindl.)花瓣明黄,唇瓣上常有U型栗色斑块;球花石斛(Den. thyrsiflorum Rchb.f.)和密花石斛(Den. densiflorum Lindl.)唇瓣皆呈金黄色,球花石斛花瓣白色,而密花石斛花瓣淡黄[11];它们均花量大,群体花期长,是著名的春石斛观赏种,也是重要的育种亲本[11]。本研究以鼓槌石斛、密花石斛和球花石斛原生种为材料,定性、定量分析它们盛开期花瓣中的类胡萝卜素,为探讨石斛属黄色花呈色机理和花色育种提供参考。

    • 鼓槌石斛、密花石斛和球花石斛原生种引种自云南,种植于中国林业科学研究院科研温室。选取鼓槌石斛盛开期花瓣、密花石斛和球花石斛盛开期花瓣和唇瓣进行花色描述和类胡萝卜素成分测定。于2017年2—6月取样,选取花蕾均匀、花色一致、生长势一致的6个单株作为6次生物学重复,每个单株随机选取5朵花,将每朵花的花瓣和唇瓣取下,于液氮中快速冷冻后保存于-80℃超低温冰箱备用。每株选取35朵剩余小花进行花色描述。

    • 质谱级甲醇购于上海西格玛奥德里奇公司;分析纯乙醇、正己烷购于北京先明乐施公司;质谱级超纯水取自Milli-Q净水器(Millipore,Bedford,MA,USA)。

    • β-胡萝卜素(β-carotene)、叶黄素(Xanthophyll)、番茄红素(Lycopene)和玉米黄素(Zeaxanthin),全部购自于西格玛奥德里奇公司和上海源叶生物科技有限公司,纯度90%及以上。

    • 分别选取新鲜的鼓槌石斛盛开期花瓣、密花石斛和球花石斛盛开期花瓣和唇瓣,置于室内光线良好的地方,利用英国皇家园艺学会比色卡(RHSCC)与花瓣和唇瓣的中上部分进行比对,重复15次,选取出现频率最高的结果,对花色进行描述。

    • 类胡萝卜素的提取方法在Jumaah等[15]的基础上优化而来。称取30 mg冻干花瓣材料,1 mL丙酮石油醚(1:2)溶液常温避光提取,提取时间为30 min。每个提取进行3次重复。

    • 采用Waters公司的合相色谱系统串联三重四极杆质谱仪(ACQUITY UPC2-XEVO-TQ,Waters,USA)进行类胡萝卜素分析,色谱条件为:采用ACQUITY HSS C18 SB(100 mm× 3 mm, 1.8 μm,Waters,USA)色谱柱;检测波长450 nm;流动相组成:A相CO2,B相甲醇;梯度洗脱程序:0~0.5 min,5% B;0.5~5 min,5%至20% B;5~7 min,20% B;7~8 min,20%到5% B;8~10 min,5% B;流速1.5 mL·min-1;柱温40℃;进样量为1 μL;质谱电离源选用电喷雾电离(ESI),在正离子模式下全扫描,扫描范围(m/z)150800 u;毛细管电压:3.0 KV;锥孔电压:40 V;锥形气体流量:50 L·H-1;脱溶剂气流量:600 L·H-1。MassLynxTM(V 4.1,SCN779,Waters,UK)软件用于MS数据采集与处理。

      紫外-可见检测波长为450 nm,通过与标准物质的比对,以及紫外-可见吸收光谱保留时间和质谱信息的定性比较,确定类胡萝卜素结构。采用外标法计算各样品中β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素和玉米黄素的含量,重复3次。采用结构相似化合物的外标法确定其它无标准品化合物的含量,重复3次。

    • 将鼓槌石斛花瓣、密花石斛和球花石斛花瓣和唇瓣与英国皇家园艺比色卡(RHSCC)进行比对,结果(图 1)显示:球花石斛和密花石斛唇瓣皆为金黄色,比色卡代码分别为24A和23A;球花石斛花瓣为白色,比色卡代码为NN155B,基部偶带黄斑;密花石斛花瓣为淡黄色,比色卡代码为11A;鼓槌石斛花瓣为明黄色,比色卡代码为15A。

      图  1  3种石斛属植物盛开期花色表型

      Figure 1.  Flower color of three species of Dendrobium at fully opened stages

    • 类胡萝卜素分子通常由8个异戊二烯单位连接而成,根据其含氧与否常分为碳水化合物型类胡萝卜素(胡萝卜素)和氧化型类胡萝卜素(叶黄质)。常见的胡萝卜素有α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和番茄红素等,极性稍弱。常见的叶黄质有叶黄素、玉米黄质和类胡萝卜素酯等,极性稍强[16]

      通常类胡萝卜素在正离子ESI源模式下电离,产生特征母离子和碎片离子,这些组分在450 nm附近都有强吸收,会产生特征吸收峰[17-18],根据这些吸收峰可以初步推定样品中是否有类胡萝卜素存在。类胡萝卜素分离时,洗脱顺序往往与所测组分的极性密切相关,组分中的羟基数目越多,往往极性越大,如β-胡萝卜素(无-OH)会较早的洗脱,之后是β-隐黄质(1个-OH),随后是玉米黄质(2个-OH)和紫黄质(2个-OH),角黄质(无-OH)也会早于虾青素(2个-OH)洗脱[15]。根据以上推定原则,结合标准品,对3种石斛属植物花瓣和唇瓣中检测到的类胡萝卜素组分进行推定。合相色谱串联三重四极杆质谱仪(UPC2-MS/MS)分析检测到9个类胡萝卜素化合物吸收峰,可以推定的类胡萝卜素化合物结构有8种(表 1),分别是β-胡萝卜素(β-carotene)、α-隐黄质(α-cryptoxanthin)、β-隐黄质(β-cryptoxanthin)、紫黄质(Violaxanthin)、叶黄素(Lutein)、花药黄质(Antheraxanthin)、玉米黄质(Zeaxanthin)和叶黄素酯化物(Lutein-5, 6-epoxide)。

      表 1  3种石斛属植物花瓣和唇瓣中类胡萝卜素结构推定

      Table 1.  Analysis of carotenoids in petals and labellums of three species of Dendrobium

      保留时间
      Retention time/min
      检测波长
      Detection waudio-video length λmax/nm
      母离子
      Parent ion
      二级离子(MS2)
      Second ion
      推定结果
      Tentative Identification
      推定依据
      Constructive basis
      2.52 435,461 536 444 β-胡萝卜素β-carotene 标品
      4.33 431,458 552 460 α-隐黄素α-cryptoxanthin [15]
      4.50 436,462 552 - β-隐黄素β-cryptoxanthin [15]
      4.99 431,458 613 335 叶黄素酯化物Lutein-5, 6-epoxide 标品
      5.13 429,456 601 - 紫黄质Violaxanthin [15]
      5.26 432,459 568 - 叶黄素Lutein 标品
      5.33 432,457 584 568 花药黄质Antheraxanthin [15]
      5.55 438,463 568 - 玉米黄质Zeaxanthin 标品
      注: “-”:未检测到或不存在。Notes: “-”:Not detected or not existed。
    • 对推定结构的8种类胡萝卜素进行定量分析,结果(表 2图 2)表明:球花石斛白色花瓣中的类胡萝卜素总量最低,约为52.26 μg·g-1,随着黄色加深,类胡萝卜素总量逐渐增加,球花石斛金黄色唇瓣中的类胡萝卜素总量最高,达到3 810.89 μg·g-1

      表 2  3种石斛属植物类胡萝卜素组分的定性定量分析

      Table 2.  Quantitative analysis of carotenoids in petals and labellums of three species of Dendrobium

      μg·g-1
      组分
      Component
      密花石斛-唇瓣
      Den. densiflorum labellums
      密花石斛-花瓣
      Den. densiflorum petals
      球花石斛-唇瓣
      Den. thyrsiflorum labellums
      球花石斛-花瓣
      Den. thyrsiflorum petals
      鼓槌石斛-花瓣
      Den. chrysotoxum petals
      β-胡萝卜素β-carotene 14.32±1.38 2.99±0.28 20.06±0.56 0.64±0.05 30.03±2.46
      α-隐黄素α-cryptoxanthin 315.61±28.94 29.02±5.35 2 056.96±62.44 - 20.80±1.92
      β-隐黄素β-cryptoxanthin 4.18±0.09 - 13.78±1.04 0.05±0.01 23.04±0.51
      叶黄素酯化物Lutein-5, 6-epoxide 265.56±24.43 23.30±4.78 431.48±31.12 - 3.89±0.24
      紫黄质Violaxanthin 37.17±4.55 2.84±0.46 64.94±0.85 - 10.44±0.08
      叶黄素Lutein 247.82±18.34 103.66±10.72 812.20±33.77 51.57±0.72 166.09±3.74
      花药黄质Antheraxanthin 41.20±6.21 1.20±0.06 265.57±4.04 - 108.20±4.63
      玉米黄质Zeaxanthin 24.36±3.02 - 145.90±3.80 - 451.00±12.41
      总计Total 950.22 163.01 3 810.89 52.26 813.49
      注:“-”:未检测到或不存在。Notes:“-”:Not detected or not existed.

      图  2  3种石斛属植物花瓣和唇瓣中类胡萝卜素组分的UPC2图谱(检测波长450 nm)

      Figure 2.  UPC2 chromatograme of carotenoids compounds in petals and labellums of three species of Dendrobium(Detection waudio-videoelength 450 nm)

      球花石斛白色花瓣中的类胡萝卜素主要是叶黄素,金黄色唇瓣中α-隐黄素含量最高,约占54%;其次是叶黄素,约占21%,叶黄素酯化物约占11%。密花石斛淡黄色花瓣中叶黄素含量最高,约占64%,其次是α-隐黄素,约占18%,而叶黄素酯化物约占14%;金黄色唇瓣中α-隐黄素含量最高,约占33%,其次是叶黄素酯化物,约占28%,叶黄素约占26%。明黄色鼓槌石斛花瓣中,玉米黄质含量最高,约占55%,其次是叶黄素,约占20%,花药黄质约占13%。

    • 类胡萝卜素分子由中央多聚共轭双烯链和位于两端的末端基团组成,类胡萝卜素的共轭双链不稳定,易降解,加热和光照都会加速它的异构化,同时天然类胡萝卜素异构体极为复杂,一个双键位置的移动,便会形成α-胡萝卜素/β-胡萝卜素或叶黄素/玉米黄质的切换。给分离、纯化与分析带来了极大的困难[16]

      蔬菜、水果中的类胡萝卜素多以脂肪酸酯的形式存在,提取时常通过皂化处理水解类胡萝卜素酯,释放其包含的色素,同时避免叶绿素干扰,但皂化常使类胡萝卜素总量减少[19-21]。花瓣中的类胡萝卜素多以含氧叶黄素的形式存在,提取时的皂化处理常造成类胡萝卜素水解,从而使分离到的类胡萝卜素组分和总量减少[22]

      测定类胡萝卜素常用方法有薄层色谱法(TLC)、开放柱色谱法(OCC)、逆流液相色谱法(CCC)、高效液相色谱法(HPLC)、超高效液相色谱法(UPLC)和超临界流液体色谱(SFC)[15]。HPLC是目前国内外应用比较普遍的类胡萝卜素分析方法,运用反相性强的C30柱可以测定出样品中痕量的类胡萝卜素,但分析时间长且一些异构体分离困难[15]。SFC也常用于分离类胡萝卜素,其流动相以CO2为主,对极性低的脂溶性物质有极强溶解力,可以有效地分离样品中的类胡萝卜素组分,同时采用的温和分析温度可避免类胡萝卜素受热分解[15]。超高效合相色谱(UPC2)结合了UPLC和SFC技术优点,该方法以超临界CO2为主要的流动相,具有溶剂用量省,分析时间短,分离效率高及检测灵敏度高等优点,将分析物在色谱柱上发生降解的风险降到最低,可以有效地分离类胡萝卜素的同分异构体[15]

    • 目前,有关植物类胡萝卜素的主要代谢途径、代谢中间产物及参与合成的关键酶和基因已基本明确(图 3)[5-8],类胡萝卜素生物合成起始于两分子的GGPP,在八氢番茄红素合成酶(PSY)的作用下缩合形成无色八氢番茄红素,随后经八氢番茄红素脱氢酶(PDS)、ξ-胡萝卜素异构酶(Z-ISO)、ξ-胡萝卜素脱氢酶(ZDS)和胡萝卜素异构酶(CRTISO)的共同作用形成全反式番茄红素[5-8]。之后的番茄红素环化是类胡萝卜素代谢中的重要分支点,植物中存在2种番茄红素环化酶LCYB和LCYE,可分别催化番茄红素的一端生成β环和γ环[5-8]。LCYB和LCYE催化番茄红素形成一端β环一端γ环的α-胡萝卜素衍生物;而经LCYB的2次催化,番茄红素形成两端为β环的β-胡萝卜素衍生物[5-8]。α-胡萝卜素在非血红素铁加氧酶类氢化酶(CYP97A)和细胞色素P450加氧酶(CYP97C)的共同作用下合成叶黄素。β-胡萝卜素在β-胡萝卜素氢化酶(CHYB)、玉米黄素环氧酶(ZEP)和新黄质合成酶(NSY)的作用下形成新黄质[6-8]

      图  3  植物类胡萝卜素合成途径

      Figure 3.  Carotenoid biosynthesis pathway in plants

      不同花色间的类胡萝卜素积累具有特异性,本研究发现,白色球花石斛花瓣中类胡萝卜素含量极少,淡黄色密花石斛花瓣中以α-胡萝卜素衍生物叶黄素为主,约占类胡萝卜素总量的90%以上,这与Kanchit[12]淡黄色石斛花中叶黄素极高的研究结果相似。金黄色球花石斛和密花石斛唇瓣中的α-胡萝卜素衍生物如α-隐黄素和叶黄素含量极高,约占类胡萝卜素总量的85%以上,这与金盏菊(Calendula officinalis Hohen.)[23]、万寿菊(Tagetes erecta Linn.)[24]和宫灯百合(Sandersonia aurantiaca Hook.)[25]的研究结果相一致,在它们的花瓣中叶黄素及叶黄素衍生物达到花瓣总类胡萝卜素含量的90%以上。明黄色花瓣(鼓槌石斛花瓣)中β-胡萝卜素衍生物玉米黄质和花药黄质含量较高,约占69%,同样的研究结果也出现在杂交文心兰(Oncidium hybridum)明黄色唇瓣中,β-胡萝卜素衍生物的含量较高[26]。在Kanchit[12]的研究结果中也有类似发现,亮黄色及橙黄色石斛兰杂交种的花瓣中β-胡萝卜素衍生物如玉米黄质、花药黄质和新黄质含量较高[12]

    • 目前,黄色花石斛兰的育种主要依赖于传统的杂交育种,以尖刀唇石斛(Den. heterocarpum)及黄喉石斛(Den. signatum)为黄花育种基础,配合金钗石斛(Den. nobile)杂交出Den. Thwaitesiae等近乎黄色的品种[10]。在黄色花春石斛育种中,子代常常呈现不黄不白或初开时偏黄,越开越白的“褪色”现象[10],可能与父母本中含有具强势遗传特性的白花血统有关[10]。随着花色分子生物学研究的深入,分子育种已成为改良植物花色的重要途径,目前,有关植物类胡萝卜素合成相关途径的关键基因也已被分离鉴定[5-8, 27],这为通过导入外源基因或阻断其相关代谢途径来进行花色遗传性状改良提供了极大可能。结合本研究对黄色花石斛兰盛开期花瓣中类胡萝卜素种类和含量的分析结果,推测浅黄色和金黄色石斛花瓣中类胡萝卜素代谢途径以α-胡萝卜素合成支路为主,而明黄色石斛花瓣中类胡萝卜素代谢途径以β-胡萝卜素合成支路为主。在番茄红素环化的过程中,LCYE的表达水平一定程度上会决定β-和α-两个分支间的类胡萝卜素比例[27-28]。推测在黄色花石斛兰中通过调控LCYE基因的表达,有可能实现石斛的花色品质定向遗传改良,将对石斛兰黄色花育种具有重要意义。

    • 以花色为黄色的鼓槌石斛、密花石斛和球花石斛的盛开期花瓣和唇瓣为试验材料,进行类胡萝卜素的定性、定量分析。结果表明:3种石斛属植物花瓣和唇瓣的色系可分为白色系和浅黄-明黄-金黄色系,在黄色花石斛兰中共鉴定出8种类胡萝卜素组分,分别是β-胡萝卜素、α-隐黄质、β-隐黄质、紫黄质、叶黄素、花药黄质、玉米黄质和叶黄素酯化物。定量分析显示:球花石斛白色花瓣中类胡萝卜素的含量极少,随着黄色加深,类胡萝卜素总量逐渐增加,球花石斛金黄色唇瓣中的类胡萝卜素总量达到最高。密花石斛淡黄色花瓣以叶黄素为主;球花石斛和密花石斛金黄色唇瓣中主要为α-隐黄素、叶黄素和叶黄素酯化物;明黄色鼓槌石斛花瓣中以玉米黄质、花药黄质和叶黄素为主。根据前人研究的类胡萝卜素合成途径及黄色花石斛兰中的类胡萝卜素检测结果,推测淡黄色和金黄色石斛花瓣中类胡萝卜素主要是α-胡萝卜素及其衍生物,而明黄色石斛花瓣中类胡萝卜素主要是β-胡萝卜素及其衍生物。推测通过调控LCYE基因的表达,可能实现黄色花石斛的花色定向改良。

参考文献 (28)

目录

    /

    返回文章
    返回