《Phytochemistry Reviews》：Flavonoids across biological kingdoms: biosynthetic diversity and applications in agriculture and human nutrition/health
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黄酮类化合物是典型与植物关联的多功能天然产物，而细菌、真菌和藻类传统上并不被认为能够通过典型苯丙烷途径生成黄酮类化合物。大量证据表明黄酮类化合物作为营养保健品具有膳食重要性，尤其是花青素、花青素苷元和异黄酮，并具有抗炎、抗菌和抗癌活性。其结构可修饰性进一步推动
黄酮类化合物是典型与植物关联的多功能天然产物，而细菌、真菌和藻类传统上并不被认为能够通过典型苯丙烷途径生成黄酮类化合物。大量证据表明黄酮类化合物作为营养保健品具有膳食重要性，尤其是花青素、花青素苷元和异黄酮，并具有抗炎、抗菌和抗癌活性。其结构可修饰性进一步推动了黄酮衍生物治疗药物的开发，而木犀草素、槲皮素等化合物作为强效抗氧化剂和活性氧（ROS）清除剂，凸显了其不断扩大的临床与工业相关性。在营养和医药之外，黄酮类化合物在豆科植物-根瘤菌共生、植物-病原体互作以及寄生虫-宿主动态中发挥核心信号作用，从而塑造土壤健康与生态系统功能。本综述回顾了植物黄酮生物合成的最新进展，以及部分细菌、藻类和真菌——这些传统上不被视为黄酮产生物的生物——中黄酮产生或类黄酮代谢能力的新兴证据。研究人员重点阐述了基因组编辑、多组学、合成生物学和人工智能辅助途径重构所取得的进展，这些进展加速了新黄酮的发现并深化了对其治疗潜力的理解。通过整合分子、生理和转化视角，研究人员提出了一个统一框架，以指导未来旨在加速黄酮在农业中的应用并改善人类营养与健康的研究。
主体内容总结：
**跨生物界黄酮生物合成的进化起源与多样化**
该部分论述了黄酮生物合成的进化历程。黄酮类化合物曾被视为植物特有，但其进化与链藻门藻类在植物陆地化之前的苯丙烷途径相关。核心黄酮模块如查尔酮合酶类似酶和4-香豆酸辅酶A连接酶存在于绿藻中，表明中央黄酮模块在陆地植物出现之前即已存在。全基因组和基因重复事件极大扩展了植物中黄酮的生物合成与特化。早期维管植物和苔藓植物代谢简单黄酮和黄酮醇以抵御紫外线辐射，被子植物则进化出橙酮、花青素苷元、原花青素和异黄酮代谢的特化途径。豆科植物通过谱系特异性重复和CHS及P450酶的新功能化调节异黄酮生物合成以吸引根瘤菌。非植物生物中，某些真菌物种存在黄酮生物合成基因，但其生物学意义尚需多组学综合验证。细菌III型聚酮合酶与植物CHS结构相似，引发关于进化谱系、独立途径出现和水平基因转移的探讨。轮藻门藻类保留了祖先黄酮组分，连接了陆生与水生黄酮代谢。泛基因组学、比较基因组学、代谢组学和祖先酶重构等技术阐明了黄酮通过基因重复、新功能化、生态选择和途径征募进化的机制。
**黄酮生物合成**
*植物中的黄酮*：植物基因组约15-20%的基因用于次生代谢。黄酮结构多样性源于核心C6-C3-C6骨架的羟基化、甲基化、糖基化、酰化、异戊烯基化/烷基化、二聚化、聚合化和金属络合等修饰。苯丙烷途径从莽草酸途径产生的苯丙氨酸开始，经苯丙氨酸解氨酶（PAL）/酪氨酸解氨酶（TAL）脱氨生成反式肉桂酸，肉桂酸4-羟化酶（C4H）催化生成对香豆酸，4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）形成辅酶A硫酯，驱动黄酮和木质素合成。
*查尔酮*：查尔酮合酶（CHS）催化一分子对香豆酰辅酶A和三分子丙二酰辅酶A缩合生成查尔酮，是黄酮生物合成的代谢入口。冷胁迫可激活CHS转录从而促进查尔酮和花青素积累。
*橙酮*：橙酮是一类特化黄酮亚类，由橙酮合成酶（AUS）催化查尔酮氧化环化形成，具有2-亚苄基-3(2H)-苯并呋喃酮骨架，呈现黄色至橙色。橙酮存在于多种双子叶植物，近年来在褐藻和地钱等海洋生物中也发现橙酮。金鱼草中的金鱼草素合成酶（AmAS1）属于多酚氧化酶（PPO）家族，催化查尔酮羟基化和连续氧化环化。查尔酮4'-O-葡萄糖基转移酶（4'CGT）也决定黄色色素形成，与AS1共表达可增强金鱼草橙酮6-O-葡萄糖苷积累。
*黄烷酮*：查尔酮异构酶（CHI）是黄酮生物合成的限速酶，催化查尔酮环化形成黄烷酮。I型CHI普遍存在于维管植物，将四羟基查尔酮转化为柚皮素；II型CHI主要存在于豆科植物，可利用异甘草素生成甘草素。III型和IV型CHI无催化活性但通过蛋白-蛋白相互作用调节CHS活性。黄烷酮包括柚皮素、松属素、圣草酚和五羟基黄烷酮等，是黄酮、异黄酮、坚韧酮等下游化合物的中心前体。
*黄酮*：黄酮合酶（FNS）存在FNSI和FNSII两种亚型，分别属于Fe2+/2-酮戊二酸依赖性双加氧酶家族和细胞色素P450家族。FNS催化松属素转化为白杨素，柚皮素转化为芹菜素，圣草酚转化为木犀草素。黄烷酮2-羟化酶（F2H）催化柚皮素和圣草酚区域选择性羟基化生成2-羟基黄烷酮中间体，是C-糖基黄酮形成的关键前体。黄芩（Scutellaria baicalensis）根部存在独特的黄酮途径，其中肉桂酸辅酶A连接酶类似酶（Sb4CLL-7）直接转化肉桂酸生成肉桂酰辅酶A，绕过典型C4H和4CL步骤，经CHS、CHI、FNSII生成根特异性黄酮白杨素，再经F6H、F8H羟基化和O-糖基转移酶（OGTs）修饰产生黄芩素和去甲汉黄芩素。
*异黄酮*：异黄酮主要在豆科植物中合成，由异黄酮合酶（IFS）催化黄烷酮羟基化和1,2-芳基迁移形成2-羟基异黄烷酮。IFS与非连续酶形成代谢体，锚定在内质网上。大豆中GmCHR5表达与脱氧异黄酮积累正相关。异黄酮进一步经异黄酮O-甲基转移酶（IOMT）、羟基异黄酮脱水酶（HID）、F3'H和F3'5'H等酶修饰生成丙二酰异黄酮或紫檀素类化合物。
*坚韧酮*：坚韧酮是不溶性酚类化合物，主要存在于种子果皮、雄穗、颖片等组织，赋予红棕色色素，作为防御分子介导植物对病虫害的耐受性，并具有抗氧化活性。黄烷酮4-还原酶（FNR）分支黄酮途径进入坚韧酮代谢，催化柚皮素和圣草酚还原生成芹菜素醇和木犀草素醇，再经氧化聚合形成坚韧酮。玉米P1转录因子（R2R3-MYB）调控坚韧酮积累，并调节C-糖基黄酮maysin的生成，赋予对玉米穗蛾的抗性。高粱中y1基因功能决定坚韧酮积累。
*无色花青素、花青素和黄酮醇*：黄酮醇、无色花青素和花青素生物合成从二氢黄酮醇中间体（二氢山柰酚DHK、二氢槲皮素DHQ和二氢杨梅素DHM）分支。黄烷酮3-羟化酶（F3H）催化黄烷酮转化为二氢黄酮醇。F3'H和F3'5'H分别催化DHK羟基化生成DHQ和DHM。黄酮醇合酶（FLS）催化二氢黄酮醇转化为黄酮醇，如槲皮素、山柰酚和杨梅素。二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）还原二氢黄酮醇生成无色花青素，花青素合酶（ANS）催化无色花青素转化为花青素苷元，UDP-葡萄糖黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UFGT）稳定花青素苷元形成花青素糖苷。甘氨酸max中GmF3'H与CSN5B互作调节抗坏血酸合成，增强盐胁迫耐受性。
*原花青素*：原花青素（PAs）是缩合单宁，由无色花青素经无色花青素还原酶（LAR）生成儿茶素，或由花青素经花青素还原酶（ANR）生成表儿茶素，再经缩合形成聚合物。PAs积累增强种子活力、介导胁迫抗性并具有强抗氧化活性。转运涉及谷胱甘肽S-转移酶样蛋白（TT12、TT19）和MATE转运蛋白。
**跨生物界黄酮生物合成的比较视角**
真菌中的黄酮生物合成曾存在争议。早期基于比色法的蘑菇黄酮检测被认为不可靠。近期研究表明，非蘑菇真菌如曲霉属和青霉属具有独特黄酮途径，由NRPS-PKS杂合酶（CfoA）组装黄酮骨架，经独特CHI环化和FMN依赖性黄酮合酶形成黄酮。删除cfoA基因中止黄酮产生，为真菌独立合成黄酮提供确证。细菌中III型聚酮合酶与植物CHS结构相似，如1,3,6,8-四羟基萘合酶（THNS）催化聚酮中间体形成。藻类具有CHS样酶和黄酮中间体，支持藻类黄酮合成能力早于植物陆地化。绿藻衣藻中异鼠李素和花青素芍药素作为性信号分子。
**黄酮在植物、动物和微生物界的重要性**
*植物黄酮生物合成的调控网络与系统生物学*：黄酮生物合成受转录、表观遗传和代谢网络协同调控。MYB-bHLH-WD40（MBW）转录复合体是核心调控因子，调控CHS、CHI、ANS、DFR、UFGT等结构基因。R2R3-MYB转录因子与bHLH和WD40蛋白互作，调节组织特异性黄酮积累和胁迫响应。钙依赖性蛋白激酶CPK27与HY5互作激活黄酮基因表达。WRKY、ERF等转录因子参与防御反应和胁迫耐受。黄酮代谢体在内质网上动态组装，促进底物通道，提高途径效率。表观遗传调控包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。多组学整合与AI、机器学习结合促进黄酮调控网络解析。
*黄酮在授粉和UV-B保护中的作用*：特定转录因子复合体调控黄酮合成以增强植物防御。多种MYB转录因子（如AtMYB75、AtMYB90、AtMYB113、AtMYB114）促进花青素积累。MdMYB23调节原花青素合成增强冷胁迫下ROS清除。ZmMYB31、FvMYB82、BcMYB111介导冷胁迫耐受。SsMYB113激活黄酮积累增强干旱耐受。VvbHLH1促进黄酮和ABA信号。CsWD40负调控干旱响应黄酮积累。黄酮作为色素吸引传粉者，并作为天然防晒剂吸收UV-B辐射保护DNA和叶绿素。
*黄酮在植物-细菌共生和植物-植物寄生中的作用*：根际黄酮分泌物作为化学信号介导植物-微生物互作。缺营养条件下黄酮分泌增强促进矿质获取。豆科植物根分泌的异黄酮识别并吸引根瘤菌，诱导nod基因表达和结瘤。黄酮还参与植物间信号传导及混合种植系统养分共享。寄生植物如独脚金属和列当属的吸器形成由酚酸和黄酮（包括花青素和异黄酮）诱导，黄酮途径可作为操纵通信信号消除寄生的靶点。
*黄酮在人类营养/健康中的作用*：膳食黄酮调节氧化应激、炎症、免疫调节和脂质代谢等关键细胞途径，具有抗炎、抗氧化和细胞保护活性。流行病学研究表明黄酮摄入降低心血管疾病风险、改善内皮功能。花青素丰富食物促进内皮依赖性血管舒张。黄酮具有免疫调节、心脏保护、抗癌、神经保护、抗真菌、抗病毒、抗疟和保肝活性。
**黄酮生物利用度和药代动力学转化的挑战**
多数黄酮口服生物利用度受低水溶性、低肠道吸收、广泛I相和II相代谢（葡萄糖醛酸化、硫酸化和甲基化）及快速系统清除限制。苷元比糖苷更易吸收。高黄酮吸收速率因结构而异，如山柰酚和槲皮素比高良姜素更快速转运。高分子量黄酮如原花青素在上消化道吸收差，到达结肠后经微生物转化。肠道微生物组成差异导致个体间代谢谱和生理反应不同，阻碍精准营养实施。纳米制剂、脂质体包封、环糊精复合物等工程策略改善黄酮递送。AI和ML预测黄酮吸收、分布、代谢、排泄和毒性。
**黄酮的代谢工程**
代谢工程通过途径重构、宿主选择和精确基因调控优化黄酮产量。CRISPR-Cas介导的基因组编辑用于作物改良和微生物途径重建。合成细胞作为工程构建体为代谢生产提供平台。在酿酒酵母中重构细胞工厂合成高圣草素7-O-葡萄糖苷，通过反馈抑制解除和CRISPR介导过表达关键酶实现产量提升。微生物宿主工程面临前体供应有限、产物毒性积累和酶底物混杂等瓶颈。
**未来展望与研究优先事项**
未来研究优先领域包括AI和ML驱动的黄酮发现与生物合成解析、下一代合成生物学平台（无细胞合成、可编程微生物联合体、光合微生物工厂）、精准基因组编辑技术（先导编辑、碱基编辑、表观基因组编辑）、肠道微生物与黄酮双向互作研究、精准营养与个性化医学、多中心临床试验验证黄酮功效，以及通过端粒到端粒测序、空间转录组学、单细胞多组学和冷冻电镜阐明黄酮代谢体组织和跨进化机制。未来十年黄酮研究将从常规表征和植物提取转向基于AI和ML的预测工程，整合多组学、合成生物学、基因组编辑、微生物组科学和精准营养，以提升农业、工业、营养保健和临床潜力。
