花青素屬于多酚類化合物，又稱花色素，是自然界一類廣泛存在于植物的水溶性天然色素，是花色苷水解得的有色背元。水果、蔬菜、花卉的主要呈色物質(zhì)大部分與花青素有關(guān)。已知花青素有20 多種，食物中重要的有6種。

植物花青素發(fā)揮重要生理作用，例如清除自由基、吸引昆蟲增加授粉機(jī)會和抗紫外線損傷，花青素也能作為抗生素對抗細(xì)菌感染。花青素對動物和人的作用也十分廣泛，作為抗氧化劑、抗炎癥和抗腫瘤效應(yīng)。攝取花青素豐富的食物能顯著減少慢性病的發(fā)生率。因此研究如何促進(jìn)植物花青素合成，提高營養(yǎng)保健價值也就十分必要。

模式植物擬南芥花青素生物合成途徑已被充分研究，花青素通過苯基丙酸類和類黃酮生合成途徑生成。這些合成途徑包括多種關(guān)鍵合成酶，如苯丙氨酸解氨酶、查耳酮合成酶、查耳酮異構(gòu)酶和黃烷酮3羥化酶等。研究擬南芥花青素生物合成轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，對理解葉色表型的控制十分關(guān)鍵。其中MBW轉(zhuǎn)錄復(fù)合體是MYB、bHLH和WDR三種調(diào)控因子組成的復(fù)合體，是調(diào)控花青素生物合成的重要轉(zhuǎn)錄因子。

花青素生物合成不僅受自身信號調(diào)節(jié)，也受到環(huán)境信號的影響，例如植物激素、紫外線、強(qiáng)光照射、低溫干旱應(yīng)激、營養(yǎng)缺乏應(yīng)激等?；ㄇ嗨鼐奂渤３１蛔鳛閼?yīng)激對抗反應(yīng)。

氫氣是一種無色無味的惰性氣體。2007年太田成男教授發(fā)現(xiàn)氫氣作為一種選擇性抗氧化劑，能中和強(qiáng)毒性的羥基自由基和亞硝酸陰離子。隨后人們用氫氣溶解于水制作氫水用于臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)氫氣具有改善結(jié)腸炎、缺血性腦損傷、糖尿病、帕金森病、抑郁癥和癌癥的作用。氫氣也具有十分廣泛的植物學(xué)效應(yīng)。如氫氣能對抗百草枯誘導(dǎo)的紫花苜蓿氧化應(yīng)激。苜蓿是苜蓿屬植物的通稱，俗稱金花菜，是一種多年生開花植物。其中最著名的是作為牧草的紫花苜蓿。苜蓿種類繁多，多是野生的草本植物。氫氣也能對抗擬南芥高鹽應(yīng)激，大白菜金屬鎘應(yīng)激和玉米強(qiáng)光應(yīng)激。

研究發(fā)現(xiàn)氫氣能促進(jìn)黃瓜幼苗側(cè)根生長，延長獼猴桃保質(zhì)期。本研究論文作者南京農(nóng)業(yè)大學(xué)崔瑾教授等2014年發(fā)現(xiàn)，在白光下，使用氫水不影響蘿卜苗青化素的合成，但是，氫水能顯著提高在紫外線照射情況下的青花素合成。(誘導(dǎo)植物產(chǎn)生花青素，氫氣需要聯(lián)合紫外線?紫外線自己可以產(chǎn)生這樣的作用，氫氣自己沒有這本事!)不過，當(dāng)時該小組對這種現(xiàn)象背后的機(jī)制，尤其是下游分子信號是什么并沒有回答。

鈣離子是重要的細(xì)胞內(nèi)第二信號，在植物生長發(fā)育中有十分重要的地位，鈣離子也參與植物發(fā)育和植物各類抗逆過程信號調(diào)節(jié)。在花青素合成中有重要地位的DFR基因表達(dá)也收到鈣離子調(diào)控。許多研究表明，鈣離子刺激花青素的聚集。IP3受體是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平的重要分子。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子是細(xì)胞內(nèi)鈣離子的儲存庫，IP3與受體結(jié)合能導(dǎo)致鈣離子通道開放，造成細(xì)胞內(nèi)游歷鈣離子水平提高。IP3也能介導(dǎo)ABA誘導(dǎo)的大豆芽異黃酮合成。鈣離子也能調(diào)節(jié)胡蘿卜和葡萄青花素合成。但是鈣離子在蘿卜苗暴露于紫外線條件下氫水調(diào)節(jié)青花素合成的作用尚不清楚。

最新這一研究中，實驗發(fā)現(xiàn)氫水能顯著提高蘿卜苗細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平，這一作用和氯化鈣類似。藥理學(xué)和分子生物學(xué)研究表明，鈣離子是氫氣促進(jìn)紫外線誘導(dǎo)的青花素合成的下游信號分子。這一研究結(jié)果符合氫氣調(diào)節(jié)青花素合成的分子機(jī)制。對于我們進(jìn)一步拓展氫氣在高等植物效應(yīng)的認(rèn)識，也提供了指導(dǎo)通過環(huán)境控制優(yōu)化青花素蘿卜苗生產(chǎn)的理論。

圖1 特征性研究結(jié)果，注意紅色深度。
 

圖2 總體研究思路圖
 

研究表明鈣離子參與氫氣促進(jìn)花青素生物合成。紫外線能促進(jìn)蘿卜苗花青素合成，氫氣可以加強(qiáng)這一作用。這種作用的分子基礎(chǔ)是IP3激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子。細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平增加是激活花青素生物合成的信號樞紐。

研究的最直接價值是，通過使用氫水，讓芽苗菜獲得更好的產(chǎn)品品質(zhì)，提高營養(yǎng)價值。結(jié)合過去氫氣促進(jìn)植物生長的，增加抗逆能力的研究?？梢哉f氫水不僅能增進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量，也能提高營養(yǎng)價值，這是一舉多得的好事。

從研究理論意義角度，這一研究也具有重要啟發(fā)意義，氫氣抗氧化一直是氫氣生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)。青花素的合成作為一種抗逆反應(yīng)標(biāo)志，一方面說明氫氣能提高植物抗逆能力，而抗逆能力往往是各種外界不利應(yīng)激因素誘導(dǎo)產(chǎn)生，例如低溫、干旱、高鹽和紫外線都可以誘導(dǎo)植物合成花青素。氫氣也具有這樣的協(xié)同效應(yīng)，且只在紫外線這種應(yīng)激因素存在的條件下發(fā)生，這意味著氫氣也類似一種半應(yīng)激因素，或者具有應(yīng)激調(diào)節(jié)效應(yīng)。應(yīng)激調(diào)節(jié)往往等價于不良環(huán)境，難道氫氣也代表一種不良應(yīng)激因子?如果是這樣，我們可以對許多動物效應(yīng)進(jìn)一步闡述。氫氣能通過Nrf2誘導(dǎo)抗氧化抗炎癥效應(yīng)，也存在類似性。這樣的作用可以將氫氣的生物學(xué)作用從單純幫助生物抗氧化的藥物效應(yīng)，延伸到具有信號調(diào)節(jié)作用的生理功能層次。這是對氫氣醫(yī)學(xué)的升華和添彩，不知道各位是否有同樣的看法。

Zhang X, et al. Increased Cytosolic Calcium Contributes to Hydrogen-Rich Water-Promoted Anthocyanin Biosynthesis Under UV-A Irradiation in Radish Sprouts Hypocotyls. Front Plant Sci. 2018 Jul 16;9:1020.

發(fā)現(xiàn)花青素的故事

1928年，匈牙利科學(xué)家阿爾伯特在柑橘類的水果中發(fā)現(xiàn)了維生素C，并因此獲得諾貝爾獎，他被世人尊稱為維生素C之父。由于維生素C可針對性地改善壞血病，因而開始時維生素C被形象地稱為抗壞血酸。

阿爾伯特在實驗室里合成出了100%純度的維生素C，而合成的維生素C是從植物中提取的，是不純的“粗品”維生素C。人們推斷，合成維生素C對壞血病的改善作用應(yīng)大大強(qiáng)于“粗品”維生素C。然而實驗結(jié)果卻正好相反，合成的純維生素C幾乎沒有抗壞血病的功效。

阿爾伯特堅信他自己提取的維生素C中還含有一種神奇的物質(zhì)，該物質(zhì)與維生素C協(xié)同對抗壞血病。

二戰(zhàn)后，1947年的法國，物資極度匱乏。為了解決牲口的飼料問題，法國農(nóng)業(yè)部決定將花生下腳料利用起來，這其中包括花生皮和花生仁的包衣。法國農(nóng)民抱怨說他們的牲畜并不喜歡吃這種飼料。農(nóng)業(yè)部的官員們想知道，法國的牲畜們?yōu)槭裁慈绱颂羰?，是否是因為花生皮或仁的包衣中含有什么有毒物質(zhì)，農(nóng)業(yè)部將這一研究課題委托給法國科學(xué)院，科學(xué)院將這一課題委托給法國波爾多大學(xué)(University of Bordeaux)研究生院，最后這一任務(wù)落在了當(dāng)時正在波爾多大學(xué)研究生院做博士論文的馬斯魁勒身上。

馬斯魁勒出色地完成了任務(wù)，他首先證明這種飼料沒有任何毒性，然后推斷說，牲畜們之所以不喜歡吃是因為在花生仁的包衣中含有一種味道非?？酀?ldquo;神秘物質(zhì)”，這種“神秘物質(zhì)”就是花青素。

氫人們，天氣炎熱，別忘記喝氫水!!!