《Horticulturae》：Epigenetic Regulation of Anthocyanin Accumulation in Horticultural Crops: Implications for Crop Quality, Postharvest Stability, and Prospective Functional Food Research
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花青素（Anthocyanins）作为一类重要的黄酮类化合物（Flavonoids），决定了许多园艺作物的色泽品质，并影响其采后质量。其积累受苯丙烷–黄酮生物合成途径（Phenylpropanoid–flavonoid biosynthetic
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花青素（Anthocyanins）作为一类重要的黄酮类化合物（Flavonoids），决定了许多园艺作物的色泽品质，并影响其采后质量。其积累受苯丙烷–黄酮生物合成途径（Phenylpropanoid–flavonoid biosynthetic pathway）以及糖基化（Glycosylation）、酰基化（Acylation）和甲基化（Methylation）等合成后修饰的调控，这些修饰共同贡献于色素化学多样性与稳定性。为在传统育种之外更好地理解和控制花青素，越来越多的证据表明，DNA甲基化（DNA Methylation）、组蛋白修饰（Histone Modifications）、非编码RNA（Noncoding RNAs）及染色质重塑（Chromatin Remodeling）等表观遗传机制可调控花青素生物合成基因与调控基因，进而影响花青素的积累。本综述考察了园艺作物中花青素的生物合成及其积累的表观遗传调控，并探讨了定向品质改良的前景。研究人员将植物层面的表观遗传证据与花青素组成、采后稳定性及生物利用度（Bioavailability）的下游证据加以区分，并指出现有研究中表观遗传标记与功能结果之间的关联缺口。
主体内容专业总结
1. 引言
园艺作物涵盖水果、蔬菜、坚果、药草和观赏植物，在全球农业经济中占据重要地位，是日常饮食中维生素、矿物质、膳食纤维和抗氧化剂的来源。联合国粮食及农业组织（FAO）数据显示，中国在大多数主要园艺作物的总生产总值上位居全球前列。花青素在此格局中处于关键交汇点：它们同时决定鲜食产品的市场色泽品质，并作为具有报道健康属性的生物活性黄酮类化合物发挥作用。花青素的积累水平显著影响消费者的购买决策与市场价值。此外，花青素具有抗氧化、抗炎等显著生物活性，提示其在预防慢性疾病方面的潜在作用，并支持其在功能性食品和保健品中的广阔应用前景。克服花青素固有的易降解特性，对于提升其在化妆品和天然染料等产业中的实用价值至关重要。近年来，表观遗传修饰作为植物生长发育和环境适应中的关键调控机制日益受到关注。本综述整合了花青素代谢、转运及表观遗传调控方面的最新进展，以阐明花青素的积累机制，并探讨其对作物品质和功能性食品研究的意义。
2. 材料与方法
本工作为批判性叙述综述而非系统性综述。文献检索覆盖Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar数据库，检索时限为2005年12月至2025年8月。纳入标准为经同行评审的、涉及园艺作物花青素生物合成、转运、表观遗传调控、采后稳定性或生物利用度的研究。排除标准包括非同行评审来源、缺乏充分方法学细节的研究，以及与花青素或园艺作物无关的研究。本综述将园艺作物定义为水果、蔬菜、坚果、药草和观赏植物；玉米、小麦、豆类、水稻等大田作物不被视为核心园艺作物，仅在提供比较性机制证据时被纳入，并在全文中明确标注为非园艺参考物种。此外，本研究中使用了生成式人工智能工具，具体为DeepSeek-V3.2和Kimi K2，仅用于从文献中提取目标内容及对提取内容进行翻译和改写，未用于数据分析、图像处理或原始研究数据的生成。
3. 园艺作物中花青素的类型与分布
花青素表现出显著的结构多样性和在不同园艺作物中的不均匀分布。它们是以3,5,7-三羟基-2-苯基苯并吡喃鎓（flavylium）阳离子为核心的花色素苷元（Anthocyanidins）的糖苷形式，具有黄酮类化合物共有的C6-C3-C6骨架，但以花色素阳离子为特征，通常连接一个或多个糖基。六种花青素苷元在园艺作物中广泛存在：矢车菊素（Cyanidin）、飞燕草素（Delphinidin）、天竺葵素（Pelargonidin）、芍药素（Peonidin）、矮牵牛素（Petunidin）和锦葵素（Malvidin）。美国农业部（USDA）数据显示，覆盆子、接骨木莓、苦樱桃、越橘、红甘蓝、蓝莓、黑加仑、菊苣、黑莓、马基莓和茄子等众多园艺作物富含多种花青素。其中矢车菊素是主要的花青素苷元，尤其在浆果类水果中含量最高。花青素的颜色多样性不仅取决于花青素苷元类型，还取决于连接的糖基或酰基等结构差异。例如，天竺葵素-3-O-葡萄糖苷（Pelargonidin-3-O-glucoside）是草莓中的主要红色素，也存在于火龙果和洋葱中；矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（Cyanidin-3-O-glucoside）是水果中最常见的花青素，与矢车菊素-3-(6″-丙二酰葡萄糖苷)共同构成血橙总花青素的90%以上，并在覆盆子和蔓越莓中含量丰富。芍药素以多种形式广泛分布，如蓝莓中的芍药素-3-O-葡萄糖苷、樱桃中的芍药素-3-芸香糖苷和苹果中的芍药素-3-半乳糖苷。矮牵牛素贡献于越橘、紫番茄和紫马铃薯等食品的深色色素沉着。锦葵素衍生物存在于葡萄和杨梅中，飞燕草素衍生物则见于茄子、猕猴桃、石榴和山核桃中。
4. 园艺作物花青素在功能性食品中的应用及潜在健康效应
花青素被广泛用作食品、营养保健品、化妆品、纺织、畜牧和生物技术领域的优良天然着色剂。功能性食品是园艺作物花青素的主要应用场景。花青素为酸奶、微胶囊和饮料等多种着色产品赋予鲜艳色彩。通过辅色作用、微囊化、水凝胶包封、pH调节以及低温避光储存等方法增强花青素在食品体系中的稳定性，使其除感官吸引力外还能发挥营养强化功能。在营养保健品领域，花青素在靶向治疗和预防应用中展现出前景。蓝莓花青素与大豆分离蛋白或明胶的包封可延缓其释放并改善结肠递送，伴随肠道菌群的有益调节。一项临床试验表明，含花青素、ω-3脂肪酸和维生素的口服胶囊可显著缓解轻中度干眼病患者的视觉疲劳并改善泪膜状态。花青素通过自由基清除、抗炎活性和氧化还原平衡恢复等机制发挥潜在健康促进作用。在动物模型中，膳食花青素可减轻丙戊酸暴露小鼠的自闭症样行为，改善高脂饮食小鼠的外周和海马抗氧化防御。花青素及富含花青素的提取物在阿尔茨海默病模型中抑制Aβ毒性，在帕金森病样小鼠模型中调节神经炎症和行为缺陷。在眼部，紫玉米、蓝莓、葡萄皮和紫甘薯提取物可保护眼表免受干燥应激、泪腺切除和高脂饮食的挑战。在心血管系统方面，临床试验证据提示花青素摄入可能升高高密度脂蛋白胆固醇水平和高密度脂蛋白颗粒数、改善血流介导的扩张并降低动脉僵硬度。动物模型证据支持NO-cGMP-PKG轴（eNOS、PKG、SERCA2a）的激活。在肝脏水平，乙酰化花青素天竺葵素-3-O-(6″-乙酰基)-葡萄糖苷可减少游离脂肪酸诱导的L02肝细胞中的脂滴和甘油三酯，并激活AMPK介导的溶酶体–自噬和氧化还原调控。在肠道，富含花青素的饮食可保持葡聚糖硫酸钠诱导结肠炎中的隐窝结构和MUC2表达；锦葵素在多种小鼠消化性溃疡模型中减轻炎症和氧化应激并促进组织修复。在运动肌肉方面，临床试验证据提示含花青素的果汁可能减少氧化损伤、改善跑步经济性并缩短恢复时间。花青素在2型糖尿病、高尿酸血症和肥胖等代谢综合征相关慢性疾病的预防和管理中显示出潜力，但该证据主要来自临床前研究。
5. 花青素的代谢途径
5.1 花青素的生物合成途径
花青素的生物合成经由苯丙烷途径进行，黄酮途径是该途径的关键分支。此过程由早期生物合成基因（EBGs）和晚期生物合成基因（LBGs）编码的一系列酶协调完成。EBGs从苯丙氨酸起始，由苯丙氨酸解氨酶（PAL）脱氨生成肉桂酸，经肉桂酸4-羟化酶（C4H）羟基化生成对香豆酸，再由4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）激活生成对香豆酰辅酶A。查尔酮合酶（CHS）作为黄酮途径的第一个关键酶，催化一分子对香豆酰辅酶A与三分子丙二酰辅酶A缩合生成柚皮素查尔酮。随后查尔酮异构酶（CHI）将柚皮素查尔酮转化为柚皮素。柚皮素可进一步被黄烷酮3-羟化酶（F3H）、黄烷酮3′-羟化酶（F3′H）或黄烷酮3′,5′-羟化酶（F3′5′H）羟基化形成不同的二氢黄酮醇。F3′5′H是唯一能催化黄酮类B环5′-羟基化的酶系统，与F3′H竞争共同底物柚皮素和二氢山柰酚。所得二氢黄酮醇随后被二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）还原为无色花色素苷元。最后，无色花色素苷双加氧酶/花色素合酶（LDOX/ANS）将无色花色素苷元转化为有色花色素苷元，即天竺葵素、矢车菊素和飞燕草素。
5.2 花青素的修饰
花青素的结构多样性主要归因于合成后修饰，主要是糖基化、酰基化和甲基化。O-糖基化是花青素生物合成的关键步骤，由UDP-葡萄糖：黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）催化。UFGT将葡萄糖基从UDP-葡萄糖转移至黄酮C环的3位，将不稳定的花色素苷元转化为稳定的花青素，显著增强其稳定性和水溶性。酰基化进一步多样化花青素结构，糖基上的羟基可被芳香族酰基或脂肪族酰基酯化。酰基化，尤其是芳香族酸和多酰基化形式，通常增加分子稳定性，并常被报道增强抗氧化能力。在茄子中，SmelAAT编码的BAHD花青素酰基转移酶负责将飞燕草素-3-芸香糖苷（D3R）转化为那苏宁（NAS）的关键酰化步骤。甲基化由S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM）依赖性O-甲基转移酶（OMTs）催化，通常诱导红移效应，增加甲氧基化使色素沉着从红色向紫色和蓝色加深。常见的甲基化花青素苷元包括单甲基化的芍药素和矮牵牛素，以及二甲基化的锦葵素。大多数花青素OMTs优先识别糖基化花青素，对游离花色素苷元几乎没有催化活性。
5.3 花青素的转运
花青素在内质网（ER）胞质面合成，必须穿越液泡膜才能产生液泡颜色。两条平行途径负责这一运输：直接转运蛋白介导的输入和囊泡介导的递送。最明确的输入蛋白是ATP结合盒（ABC）转运蛋白和多药及毒性化合物外排（MATE）转运蛋白。拟南芥中AtABCC2利用ATP水解能量逆浓度梯度泵入花青素，此过程由谷胱甘肽S-转移酶辅助。MATE转运蛋白利用液泡H+-ATP酶产生的H+梯度驱动酰基化花青素和原花青素前体的次级主动摄取。进入液泡后，色素可以均质溶液形式储存或进一步凝聚为花青素液泡内含物（AVIs）。花青素可通过自噬相关囊泡运输到达液泡，其中巨自噬和微自噬两种机制均有参与。微自噬通过液泡膜直接内陷吞噬胞质花青素簇形成微自噬结构，此过程不依赖ATG5和磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）活性。
6. 园艺作物花青素生物合成的表观遗传调控
6.1 DNA甲基化
DNA甲基化是在DNA上添加甲基基团的生化过程，在调控基因表达、维持基因组完整性和实现环境适应中发挥关键作用。在高等植物中，DNA甲基化发生在对称的CG和CHG序列环境以及不对称的CHH序列环境中。此过程由特定甲基转移酶和去甲基化酶的平衡作用动态调控。猕猴桃AcGST1启动子中CHH胞嘧啶甲基化水平的降低与甲基转移酶基因MET1和CMT2表达降低以及去甲基化酶基因ROS1和DML1表达升高相关。去甲基化酶基因DML1被发现在调控AcGST1转录中发挥作用。在苹果中，低温上调MdROS1，其编码的蛋白通过保守的RRD-DME结构域结合花青素生物合成基因MdF3′H和MdUFGT的启动子，促进其转录，从而增强花青素积累。MsMYB1R1启动子的高甲基化则抑制转录，导致花青素积累减少。DNA甲基化通常与转录沉默相关，而去甲基化可激活基因表达。
6.2 组蛋白修饰
组蛋白八聚体在其亚基蛋白的特定残基上经历翻译后修饰，最常见的是甲基化和乙酰化。组蛋白去乙酰化酶（HDAC19）在葡萄成熟过程中招募ERF4至MYB5a启动子，减少花青素积累。在梨中，PpERF9通过其EAR基序招募共抑制因子PpTPL1形成转录抑制复合物，介导组蛋白去乙酰化，导致PpMYB114和PpRAP2.4启动子处H3乙酰化减少。PpERF9直接结合PpRAP2.4和PpMYB114启动子中的DRE和GCC-box顺式元件，抑制其转录。PpRAP2.4作为PpMYB114表达的正调控因子，最终精细调控花青素途径中关键结构基因和调控基因的表达。在草莓中，组蛋白去乙酰化酶FaSRT1-2的瞬时过表达通过上调关键生物合成基因促进花青素积累，但在稳定转基因植株中负向影响对热胁迫和灰葡萄孢感染的抗性。
6.3 非编码RNA
非编码RNA，特别是miRNA，通过促进mRNA降解或抑制翻译来发挥对靶标蛋白编码基因表达的转录后抑制。Ib-pri-MIR2111加工成熟后靶向IbKFB mRNA使其下调，进而上调花青素生物合成途径中的IbPAL1、IbCHS、IbCHI、IbDFR和IbANS，促进甘薯花青素生物合成。干旱诱导的ABA积累促进VvAREB2直接结合MIR156b启动子中的ABA响应元件（ABRE）并激活其表达，导致VvSBP8和VvSBP13被抑制，最终增强葡萄浆果的花青素积累。在苹果中，mdm-miR858的过表达显著抑制花青素积累；过表达miR172的转基因苹果植株在多种组织中花青素含量降低。miR399d作为磷酸盐缺乏适应的关键调控因子，也促进花青素积累。在干旱胁迫条件下，过表达stu-miR159a的转基因马铃薯植株积累了显著高于非转基因对照的花青素，这与增强的抗氧化能力和改善的耐旱性相关。
6.4 染色质重塑
染色质重塑是由蔗糖非发酵2（Snf2）家族DNA转位酶介导的动态ATP依赖过程，通过水解ATP破坏DNA–组蛋白相互作用并改变核小体定位，从而调节染色质可及性。保守的组蛋白变体H2A.Z通过沉积在部分花青素生物合成基因上并抑制其表达，负向调控拟南芥花青素积累。由SDE2切割的C端片段（SDE2-C）和LHP1组成的染色质相关调控模块通过H3K27me3介导抑制花青素生物合成基因的表达，调控蔗糖诱导的花青素生物合成。在草莓中，花青素生物合成的调控涉及染色质状态的动态变化，包括H3K9/K14ac和H3K27ac等组蛋白乙酰化标记的活性基因组区域扩展，这些表观遗传修饰协调调控包括FvCHS在内的花青素生物合成相关基因的转录，促进果实成熟期间的花青素积累。
7. 讨论与未来展望
7.1 表观遗传控制与化学命运之间的缺失环节
大多数园艺作物花青素研究分为植物表观遗传学和人类营养学两个阵营。前者已证明DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控DFR、ANS和UFGT等生物合成基因的表达；后者记录了花青素可改善体内抗氧化状态和减轻炎症。然而，特定表观遗传状态如何转化为能够经受采后处理和消化的明确化学谱系，在很大程度上仍未得到探索。例如，UFGT启动子的低甲基化可能增加总花青素含量，但这是否会改变单糖基化与二糖基化形式的比例？如果会，这种变化如何影响烘焙或巴氏杀菌过程中的稳定性？目前尚无研究直接连接这些环节。研究人员提出，改变UFGT、OMTs和酰基转移酶表达的表观遗传状态可能不仅改变总花青素含量，还会改变糖基化、酰基化和甲基化形式的比例，这些比例可能比总含量更能预测采后稳定性和结肠递送效率。弥合这一知识缺口需要分阶段、假设驱动的实验策略，包括表型对比种质或近等基因/表观等位基因系的培育、靶向亚硫酸盐测序、ChIP-qPCR、转录定量和LC-MS/MS绝对定量，随后进行标准化采后处理挑战和INFOGEST静态消化联合体外结肠发酵，最后在一致证据支持下开展动物或人体研究，并可通过dCas9表观遗传编辑进行因果验证。
7.2 推进花青素营养基因组学在园艺作物功能性食品中的应用
在营养基因组学框架内，园艺植物花青素正成为功能性食品开发中的重要生物活性成分。其健康效应被认为通过基因表达调控介导。在细胞研究中，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷激活Nrf2/ARE信号并诱导HO-1和NQO1等细胞保护性II相酶。完整花青素的全身生物利用度有限，但相当比例未被吸收而到达结肠，肠道菌群介导的生物转化被认为是主要代谢途径，产生的酚酸代谢物可能进入体循环并作为信号分子参与基因表达调控。花青素吸收和代谢相关酶与转运蛋白编码基因的多态性，以及个体间肠道菌群组成的差异，可能共同导致花青素生物利用度和全身暴露的变异性。因此，基于花青素的功能性食品设计可能需要从单纯追求含量转向基于基因型、菌群和代谢表型匹配的精准营养策略。多组学方法可能有助于定义应答人群，包封和益生元共递送等策略可能通过改善结肠递送和微生物生物转化效率来弥补生物利用度不足。
7.3 对育种和可持续农业的启示
与遗传变异相比，表观遗传变异不改变DNA序列，因此可能面临不同的公众和监管考量。基于表观遗传标记的育种流程需要稳健鉴定调控花青素含量和修饰模式的稳定标记。与引入DNA双链断裂并永久改变DNA序列的传统基因编辑不同，表观遗传编辑使用核酸酶失活的Cas9（dCas9）融合表观遗传修饰因子，在不改变底层序列的情况下在特定基因座写入或擦除标记。这些工具可通过农杆菌浸润或病毒载体瞬时递送，或通过转基因整合稳定递送。对于花青素性状，基于dCas9的表观遗传编辑已被提议作为创造具有定制花青素谱的新型种质的方法，但在大多数园艺作物中仍未得到充分测试。引入表观遗传标记的遗传稳定性、脱靶结合和表观遗传修饰的非预期扩散、编辑生物的监管框架，以及对产量、抗逆性和整体品质的多效性效应等基本问题仍未解决。因此，基于dCas9的表观遗传编辑应被视为前瞻性研究方向而非成熟的育种工具，未来工作应优先在主要园艺物种中进行概念验证研究、系统性脱靶评估以及稳定性和多效性的长期田间评价。
