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1、 萝卜硫代葡萄糖苷的研究进展 邱正明 黄燕 矫振彪 朱凤娟 严承欢摘 要：硫代葡萄糖苷是一种广泛存在于十字花科植物中含硫和氮的次生代谢产物。萝卜中硫代葡萄糖苷含量较高且种类丰富，其中4-甲硫基-3-丁烯基硫苷（glucoraphasatin，GRH）含量最高。硫代葡萄糖苷经黑芥子酶降解可产生高生物活性的降解产物，如硫氰酸酯，异硫氰酸酯和腈等。上述硫代葡萄糖苷及其降解产物在植物病虫害防御、食品风味形成以及人体癌症治疗等方面均有重要作用。近年来，萝卜中硫代葡萄糖苷的生物合成途径及调控等方面的研究取得了较大进展。笔者综述了萝卜硫代葡萄糖苷的结构与种类、生物合成与降解以及影响因素等内容，旨在为萝卜硫苷
2、的生物合成调控研究及其药食同源产品开发提供参考。关键词：萝卜;硫代葡萄糖苷;生物合成;药食同源：S631.1 文献标志码：A ：1673-2871（2021）02-001-07Research progress of glucosinolates in radishQIU Zhengming1， HUANG Yan1， 2， JIAO Zhenbiao1， ZHU Fengjuan1， YAN Chenghuan1（1. Hubei Key Laboratory of Vegetable Germplasm Enhancement and Genetic Improvement/Institu
3、te of Economic Crops， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， Hubei， China; 2. College of Horticulture and Forestry Sciences， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， Hubei， China）Abstract： Glucosinolates （GSLs） are sulfur- and nitrogen-rich secondary metabolites， which distribu
4、te in cruciferous plants widely. In radish， the concentration and variety of glucosinolates is relatively high. Additionally， the concentration of glucoraphasatin （GRH） is the highest among the all GSLs of radish. Glucosinolates can be hydrolyzed by myrosinase to release highly biologically active p
5、roducts， such as thiocyanates， isothiocyanates and nitriles. Glucosinolates and their degraded products play important roles in deterring herbivores and pathogens of plant， food flavor formation and anticancer in the diet. Recently， researches on the biosynthetic pathway and regulation of glucosinol
6、ates in radish have been made great progress. In this paper， we reviewed the structures and types， the biosynthesis and degradation pathways， and influence factors of GSLs in radish， which would provide references for deciphering the biosynthesis and regulation of GSLs and developing the medicine an
7、d food homologous products of radish in future.Key words： Radish; Glucosinolates; Biosynthesis; Medicine and food homologous蘿卜（Raphanus sativus L.，2n=18）为十字花科萝卜属蔬菜，主要食用器官为肉质根，可菜用，也可入药，为传统药食同源植物。在我国，萝卜的常年种植面积约120万hm2，总产量约4 000万t，是我国重要的大宗蔬菜作物1。根据表型与使用目的，可将栽培萝卜分为5种类型：亚洲大萝卜（R. sativus var. hortensis）、欧洲
8、樱桃萝卜（R. sativus var. sativus）、黑萝卜（R. sativus var. niger）、油用萝卜（R. sativus var. chinensis）以及鼠尾萝卜（R. sativus var. caudatus）2。硫代葡萄糖苷（glucosinolates，GSLs）简称硫苷，又称芥子油苷，在十字花科植物中广泛存在。目前，国外对硫苷的研究比较深入，主要关注硫苷与其降解产物的吸收以及抗癌机制的解析，已取得重要突破。2019年，Lee等3报道了在青花菜中吲哚-3甲醇（硫苷降解产物）通过恢复抑癌因子PTEN蛋白的活性从而抑制癌症，为未来的临床研究提供了新策略。一般而言，
9、硫苷在人体中需要经过肠道菌的作用才能将其转化为异硫氰酸酯等具有生物活性的硫苷代谢产物4。我国萝卜硫苷的相关研究起步较晚，主要集中在萝卜硫苷检测方法的建立以及不同萝卜资源中硫苷组分与含量的鉴定等基础性工作5-6。萝卜中硫苷的成分主要为脂肪族硫苷和吲哚族硫苷，且在不同的萝卜材料及组织中变异显著6-8。4-甲硫基-3-丁烯基硫苷（glucoraphasatin，GRH）是萝卜肉质根中含量最丰富的硫苷组分，占总硫苷含量的90%以上9。此外，硫苷经过黑芥子酶（myrosinase）水解后可以产生萝卜硫素（sulforaphane，SF），是一种具有强抗癌功能的天然活性物质10。对植物本身而言，硫苷及其降
10、解产物是植物抗病、抗虫以及抗逆的重要物质，对植物的生长发育具有重要意义11-12。笔者拟通过论述萝卜硫苷生物合成与代谢领域的重要发现，探讨未来萝卜硫苷研究及其育种方向，为开发药食同源的萝卜产品提供参考。1 萝卜硫苷的结构和种类硫苷为含硫的次级代谢产物，其核心结构分为3个部分：-D-硫葡萄糖基、磺酸肟基团和R侧链。根据R侧链的不同，可以将硫苷分为3类：脂肪族硫苷，侧链主要来源于甲硫氨酸;吲哚族硫苷，侧链主要来源于色氨酸;芳香族硫苷，侧链主要来源于苯丙氨酸13。迄今为止，已鉴定的硫苷种类超过200种，主要分布于十字花科作物14。在萝卜中，已鉴定出硫苷组分14种（表1），以脂肪族硫苷和吲哚族硫苷为主
11、8。张丽等5在萝卜幼苗中检测到芳香族硫苷2-苯基乙基硫苷（gluconasturtiin，GNT），但含量极低。GRH是萝卜中主要的硫苷物质15，质量摩尔浓度在43.8475.5 ?mol?g-1（DW）之间，是影响萝卜硫苷含量和组分差异的关键组分16。除GRH外，大多数萝卜种质均含有4-甲基亚磺酰基-3-丁烯基硫苷（glucoraphenin，GRE）和4-甲氧基-3-吲哚甲基硫苷（4-methoxyglucobrassicin，4MGBS），但含量较低8。2 萝卜硫苷的生物合成萝卜硫苷合成部位为叶片，然后通过远距离运输至根与花器官中17。硫苷的生物合成过程比较复杂，主要可分为3个步骤（图1
12、）：侧链延伸;核心结构的合成，包括-D-硫葡萄糖基和磺酸肟基团;侧链修饰。以脂肪族硫苷为例，多个基因家族参与硫苷的生物合成，如甲硫氨酸在支链氨基酸转氨酶（Branched-chain amino acid amino-transferases，BCATs）、细胞色素P450s（CYP79s与CYP83s）和2-氧戊二酸与亚铁依赖双加氧酶（2-oxoglutarate and Fe（II）-dependent dioxygenases，2OGDs）等18。在模式植物拟南芥中，采用突变体、同位素饲喂等试验方法已鉴定出植物硫苷的主要生物合成途径19。萝卜硫苷的主要生物合成途径与拟南芥类似，其主要差异
13、位于侧链修饰阶段。2.1 侧链延伸甲硫氨酸为脂肪族硫苷侧链延伸的源头。从甲硫氨酸开始，侧链延伸主要分为3个阶段：第一个阶段为脱氨基阶段，在BCAT4作用下脱氨基产生2-氧代酸（2-oxo acid）20，之后在胆汁酸转运蛋白5（bile acid transporter 5，BAT5）和胆汁酸钠离子共转运蛋白5（bile acid： sodium symporter family protein 5，BASS5）的作用下将2-氧代酸转运至叶绿体中21-22;第二个阶段为延伸循环阶段，分别由甲硫烷基化苹果酸合成酶（methylthioalkylmalate synthases，MAMs）催化2-
14、氧代酸与乙酰辅酶A（acetyl-CoA）进行缩合反应、异丙基苹果酸异构酶（Isopropylmalate isomerase，IPMIs）进行异构化以及异丙基苹果酸脱氢酶（Isopropylmalate dehydrogenase，IPMDHs）进行氧化脱羧反应，以此循环往复完成亚甲基（-CH2-）的添加和延伸;第三个阶段为转氨基阶段，在支链氨基酸转氨酶3（Branched-chain amino acid amino-transferase 3，BCAT3）的作用下，催化延伸底物完成转氨基过程，最终形成侧链延伸物23。由于萝卜中GRH为硫苷的主要组分，因此甲硫氨酸需要延伸添加（-CH2-C
15、H2-）基团形成长链甲硫氨酸。2.2 核心结构的合成硫苷的核心结构由-D-硫葡萄糖基和磺酸肟基团组成，其合成主要包括5个步骤25：（1）氧化，长链甲硫氨基酸由CYP79家族（主要包括CYP79F1和CYP79F2）氧化为乙醛肟，其中CYP79F1可催化所有延伸后的甲硫氨酸26;随后CYP83家族CYP83A1将乙醛肟继续氧化为酸式硝基化合物27。（2）共轭，酸式硝基化合物与谷胱甘肽（glutathione，GSH）通过共轭反应形成S-烷基肟。（3）C-S剪切，在C-S裂解酶（C-S lyase，SUR1）作用下S-烷基肟转化为硫代肟基酸28。（4）葡糖基化，硫氢肟继而由UGT74家族（脂肪族由
16、UGT74C1催化）将其转化为脱硫硫苷29。（5）硫化，在多个磺基转移酶（sulfotransferases，SOTs）的作用下形成甲硫烷基硫苷结构30。吲哚族硫苷核心结构的形成与脂肪族类似，主要不同在于底物及其对应的催化酶。吲哚族硫苷的生物合成底物为吲哚，在色氨酸合成酶（tryptophan synthase gene 1，TSB1）的作用下生成色氨酸31。色氨酸由CYP79家族成员CYP79B2与CYP79B3氧化产生对应的吲哚乙醛肟32-33。因为底物的特异性，吲哚乙醛肟在CYP83B1的作用下产生对应的酸式硝基化合物34。类似地，葡糖基转移酶UGT74B1作用对应的吲哚硫代肟基酸产物形成吲哚脱硫硫苷35。最后，在SOT16和SOT18的作用下，吲哚脱硫硫苷与3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸（3-phosphoade
