《食品科学》：中国农业大学刘海杰教授等：西兰花苗中萝卜硫素合成的调控手段研究进展

萝卜硫素（SFN）又称莱菔硫烷，属于异硫氰酸酯的一种，由硫代葡萄糖苷（简称硫苷）经植物体内黑芥子酶（MYR；EC3.2.3.1）水解形成，是迄今发现的植物源食品中抗癌活性最高的物质之一。除抗癌活性外，近年来还发现了SFN很多其他生理功能，如抗氧化和抗炎作用、调节体内葡萄糖稳态，降低胰岛素抵抗、减轻肥胖的潜力等。

SFN主要存在于十字花科植物中。SFN在西兰花种子和嫩苗中含量较高，随着植株生长，其含量逐渐降低，且西兰花苗中的SFN含量是成熟花球的10～100 倍。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的李翠、刘海杰*，江苏新希望生态科技有限公司的方胜等对西兰花苗中SFN的合成和分解过程及调控手段进行综述，为生产高SFN含量的西兰花苗提供一定参考。

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SFN的合成及降解

1.1 SFN在西兰花苗中的合成过程

SFN合成的前体物质为硫苷，是一类含氮和硫的植物次级代谢产物，由1个β-D-硫葡萄糖残基、1个磺酸肟基团和1个来源于8种氨基酸的侧链R构成，根据硫苷侧链结构不同，可以将其分为脂肪族硫苷、吲哚族硫苷和芳香族硫苷。硫苷主要存在于十字花科植物中，目前在十字花科植物中发现的硫苷有120余种。其中脂肪族硫苷萝卜硫苷（GRA）是SFN合成的具体前体物，也是西兰花中含量最高的硫苷，占西兰花总硫苷含量的50%以上。

“MYR-硫苷”系统是十字花科植物特有的一种化学防御策略，也被称为“芥子油弹”。正常情况下，GRA稳定分布于植物叶片的边缘区域及沿着初级脉的细胞中，且无生物活性；而MYR被保存在与GRA分离的特定细胞（黑芥子细胞，分散在细胞群中呈现多种类型的所有特殊植物细胞，为一种异细胞）的液泡中。但在植物遭受如昆虫叮咬、烹饪、咀嚼等损伤后，GRA从细胞中释放并与MYR接触，发生水解反应，生成SFN。SFN的具体合成过程如图1所示，主要包括2 个部分，即前期GRA在植物体内的生物合成及GRA水解生成SFN。

GRA来源于甲硫氨酸，其生物合成的分子遗传机制已有学者进行了解析，主要包括3 个阶段。第1阶段为氨基酸侧链延伸：甲硫氨酸首先在细胞质中经BCAT催化发生氨基转移，生成2-氧代-4-甲基硫代丁酸，然后通过BAT进入叶绿体中，进行3 个反应：由MAM催化与乙酰辅酶A的缩合反应、IPMI催化的异构化反应及由IPMDH催化的氧化脱羧反应。该3 个反应循环2 次，将2 个亚甲基基团（—CH2—）依次加在氨基酸侧链上，产物2-氧代-6-甲基硫代己酸由BAT再转运回到细胞质，经BCAT催化的转氨作用生成二高甲硫氨酸。第2阶段为硫苷核心结构形成：该过程主要在细胞质中进行，是所有硫苷形成的共同部分，也是硫苷合成的关键步骤，包括乙醛肟、硫肟酸、脱硫硫苷和4-甲硫基丁基硫苷的依次形成，主要涉及CYP79F1、CYP83F1、UGT74C1、ST5b等基因。

第3阶段为硫苷侧链的二次修饰：该过程在很大程度上决定了硫苷的种类及水解产物的活性。4-甲硫基丁基硫苷在FMO作用下，侧链经过氧化形成GRA，GRA除可以水解生成SFN外，还可在AOP作用下形成3-丁烯基硫苷。参与该过程的基因包括FMOGS-OX1和AOP2。硫苷在MYR作用下发生水解反应，生成D-葡萄糖和不稳定的β-糖苷配基中间体，β-糖苷配基经重排、解裂可形成多种产物，而产物种类主要受硫苷种类、MYR活性和特定蛋白质等的影响。在正常中性pH值条件下，GRA经MYR催化发生初步水解，中间体再通过非酶化“洛森重排”形成SFN，但当ESP存在时，ESP会将MYR释放的不稳定糖苷配基转化为无生物活性的萝卜硫腈。而ESP是MYR的辅酶，为一种热不稳定蛋白，其稳定性和催化活性依赖于Fe2+，在西兰花苗水解反应液中添加Fe2+会使腈类物质生成量显著提高。MYR是一种存在于植物组织或哺乳动物胃肠道微生物中的β-硫代葡萄糖苷酶，目前已知参与硫苷分解的MYR包括典型的硫代葡萄糖苷水解酶1～6和非典型的β-葡萄糖苷酶（BGLU）18～33、PEN2/BGLU26和PYK10/BGLU23。MYR活性受pH值、温度、金属离子、辅酶因子抗坏血酸和水分活度等多种因素的影响。MYR活性的最佳pH值和温度随植物种类的不同而变化，分别在pH 4～9和20～70 ℃之间。有研究发现，西兰花种子的内源性MYR将GRA水解为SFN的最佳条件为：25 ℃、pH 4.0、添加0.02 mg/g抗坏血酸。

1.2 SFN降解过程

长期以来，植物次级代谢物被认为是由初级代谢物合成、具有生物活性的“最终”代谢产物。然而随着西兰花苗的生长，SFN含量逐渐降低，这表明SFN会在植物组织中发生内源降解。因此了解SFN在植物中的降解途径对生产高SFN含量的西兰花苗也至关重要。Sugiyama等解析了拟南芥中SFN的分解过程（图2）。SFN的分解从与谷胱甘肽（GSH）缀合开始，然后逐步从SFN-GSH中裂解出甘氨酸和γ-谷氨酸残基，然后SFN-半胱氨酸（Cys）分解并环化生成(4R)-(-)-2-硫酮基-4-噻唑烷羧酸（RA）和SFN-NH2。RA通过开环反应等生成Cys，而Cys不仅能参与硫苷合成，并且与前面降解过程产生的甘氨酸和γ-谷氨酸残基一起参与GSH的合成，说明植物中存在初级代谢和次级代谢之间的双向转化。这为通过抑制SFN降解提高西兰花苗中SFN含量提供了新思路。

此外，值得注意的是，食用西兰花苗后，硫苷在人体肠道菌群的作用下生成SFN，之后SFN也以类似的方式进行降解：SFN首先诱导II相抗氧化酶，在GSH S-转移酶作用下形成SFN-GSH，该结合物水解逐步形成SFN-半胱氨酰甘氨酸和SFN-Cys。而最终排泄至尿液中的主要产物为SFN-Cys和萝卜硫素N-乙酰半胱氨酸。

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不同调控手段对西兰花苗中SFN合成的影响

2.1 生长环境的影响

2.1.1 光照

光为植物的能源生产提供燃料，并充当主要环境信号，在植物生长和发育中起关键作用。此外，不同光质可以通过不同途径促进十字花科植物中硫苷的积累：紫外线（UV）-A主要影响吲哚族硫苷含量，蓝光主要影响脂肪族硫苷含量，而红光/远红光对脂肪族、吲哚族硫苷基本均有影响。梁文静发现红光可以显著促进西兰花苗菜下胚轴的伸长和可溶性糖积累，而蓝光处理可以显著促进叶绿素和可溶性蛋白积累。Melissa等采用7.16 W/m2的UV-B照射发芽6 d的西兰花苗120 min，2～24 h后收获，发现此处理条件下GRA含量增加73%。这可能是由于UV-B诱导了GRA合成相关基因FMOGS-OX5的表达，以及病原体和水杨酸（SA）响应基因PR-1和PR-2上调，导致植物防御机制开启，生成更多硫苷。光对SFN合成的影响主要通过调控硫苷的生物合成间接作用，涉及硫苷关键基因表达、光合糖信号转导、光调控氮和硫同化等多个方面，然而不同的光质影响效应也不同，具体的分子机制还需要进一步研究。

2.1.2 温度

植物在高温胁迫下，次生代谢产物会积累，以此来抵御胁迫作用。Matusheski等将新鲜的西兰花苗60 ℃处理10～20 min，发现SFN含量显著增加，萝卜硫腈产量减少且与ESP活性降低相一致，加热至70 ℃及以上，2 种产物的生成与未加热处理的对照组相比无显著差异。ESP属于热敏性蛋白，适当热处理能够降低其活性，从而提高SFN生成量，而低温主要通过增强MYR活性影响SFN合成，因此找到调控SFN合成的关键温度至关重要。此外，Guo Liping等发现，在西兰花苗生长过程中，每天给予20 min、60 ℃的热胁迫，最终GRA含量提高39%，MYR和ESP活性显著降低，而SFN含量较对照组提高153.73%。SFN的增加幅度远大于GRA含量的提高，猜测热胁迫下可能还有其余调控因子参与GRA水解合成SFN过程，还需要进一步研究来明确。

2.2 添加外源物质的影响

2.2.1 营养物质

在植物生长过程中，可以通过外源添加含氮、含硫化合物及糖类等调控其营养状况，促进植物中硫苷的合成，从而提高SFN含量。

1 ）含氮化合物

国内外很多研究表明植物可以将氨基酸作为氮源直接吸收利用。一方面，氨基酸是蔬菜中硝酸盐代谢的最终产物，外源氨基酸处理能显著降低硝酸盐积累；另一方面，氨基酸也是硫苷合成的前体物质，氨基酸不同，形成的硫苷种类也不同，脂肪族硫苷主要来自于甲硫氨酸。Baenas等用15 mmol/L甲硫氨酸培养西兰花发芽，GRA含量达到254.45 mg/100 g，相比于对照组提高约76%，这在一定程度上也间接提高了SFN含量。植物吸收氨基酸的生理机制已有大量研究，主要是受一系列转运蛋白，如赖氨酸-组氨酸转运体1、氨基酸渗透酶1和氨基酸渗透酶5的调控。然而，植物吸收氨基酸后的代谢和分配的研究目前还相对较少，西兰花苗中氨基酸调控硫苷合成的上游具体作用元件和调控模式还尚不明确。

此外，关于氮肥对植物中硫苷含量的影响研究大部分与硫肥结合在一起。研究发现，低氮高硫肥（（125 N+110 S）kg/hm2）可以显著提高甘蓝中GRA含量，硫苷总量达到最大（284.8 µmol/100 g）。但关于氮肥对西兰花苗中SFN含量的具体影响鲜见详细报道。

2） 含硫化合物

植物中硫元素的含量会影响硫苷的种类及含量。硫苷中的硫占植物中总硫含量的30%，硫肥以硫元素的形式进入植物体内并参与硫苷的合成。Hassini等发现，用3 mmol/L K2SO4处理西兰花苗，GRA含量较蒸馏水处理的对照组增加20%。此外有研究发现，用2 mmol/L ZnSO4处理西兰花苗，GRA含量增加30%，MYR活性提高，从而使SFN的生成量增加。由于不同硫酸盐所含阳离子不同，影响SFN合成的机理也不同，除硫元素对西兰花苗中硫苷及SFN含量的调控作用外，K+、Zn2+、Ca2+的影响也不可忽视，但关于不同金属离子的单独调控作用研究较少。

3）糖

在植物中糖类不仅能作为体内能源和碳骨架的提供者，还能作为非常重要的信号分子调控植物的生长发育过程和对逆境胁迫的应答。Guo Rongfang等用146 mmol/L不同种类的糖（蔗糖、葡萄糖、果糖、甘露醇和果糖/葡萄糖（1∶1））处理西兰花苗，发现所有糖均诱导了硫苷积累，其中蔗糖最为有效，GRA含量达15.09 μmol/g，相比于对照组提高167%，并促进了GRA合成过程中GS-Elong基因表达，但对MYR酶活无显著影响；而葡萄糖效果最差，仅使GRA含量提高不足51%，同时MYR酶活显著降低。蔗糖可能是以分解为葡萄糖和果糖的形式调控硫苷的合成，而葡萄糖可能通过其信号转导下游转录因子ABI5和脂肪族硫苷合成相关转录因子MYB28相互作用调控硫苷的积累。Natella等用不同浓度的蔗糖溶液处理西兰花苗，发现176 mmol/L蔗糖溶液处理下，硫苷总量达到最大，与对照组相比增加82%，但脂肪族硫苷含量无显著变化，蔗糖主要通过促进吲哚族硫苷合成（增加190%）影响西兰花苗中的硫苷含量。出现这种差异可能与实验材料和栽培环境不同有关，且结果的可靠性还有待验证，糖信号对西兰花苗中SFN含量影响的分子机制也需进一步研究。

2.2.2 植物激素

在植物受到病原菌侵染、昆虫摄取等外源损害时，植物激素可以通过调控次生代谢产物的合成响应环境变化，这其中也包括硫苷的合成。茉莉酸（JA）不仅参与植物的生长发育过程，还调控植物对于机械损伤、昆虫取食和腐生型病原菌侵害的防御反应。Guo Liping等发现，JA处理后西兰花芽中脂肪族硫苷生物合成途径中相关基因的表达升高，MYR酶活提高，SFN合成增加236%。茉莉酸甲酯（MeJA）是JA的一种甲酯衍生物，研究发现，MeJA主要调控西兰花中吲哚族硫苷——1-甲氧基吲哚基-3-甲基硫苷（nGBS）的合成，经250 µmol/L MeJA处理的成熟西兰花，与对照组相比硫苷总量增加50%，nGBS含量增加8 倍，MYR酶活提高，但脂肪族硫苷含量降低约25%。

SA是一种与植物体内的逆境防御系统密切相关的信号分子，帮助植物形成与根相关的微生物种群，并增强对病原体威胁的适应性。Hassini等发现，SA主要通过影响MYR酶活调控萝卜根中脂肪族硫苷含量，且表现出低浓度（0.5 mmol/L）抑制、高浓度（1.5 mmol/L）促进的作用效果。在西兰花苗中也发现了SA的类似作用，用0.2 mmol/L SA对西兰花苗的叶片进行喷洒处理，吲哚族硫苷显著积累，MYR酶活提高，GRA含量降低约12%。但外源添加高浓度SA是否可以促进西兰花苗中硫苷及SFN合成还有待实验论证。此外，JA和SA不是相互独立的，它们在植物的抗性反应中存在相互协同或拮抗作用，而其他激素如生长素、油菜素内酯（BR）等也会影响硫苷的合成，从而调控SFN的合成。各种植物激素存在相互作用，不同信号途径交织在一起形成复杂的网络，因此对于植物激素诱导西兰花苗中SFN合成的机理还需要更加深入的研究。

2.2.3 NaCl

NaCl溶液可能通过渗透压胁迫或通过离子影响植物的代谢系统，进而影响西兰花苗中SFN的合成。Guo Liping等使用不同浓度NaCl溶液处理西兰花苗，发现当浓度达到160 mmol/L时，GRA含量达到最高（3.84 mmol/g），相比于对照组提高71.4%，MYR活性提高38.4%、SFN含量增加215%。在NaCl造成的逆境胁迫下，西兰花苗可能通过改变体内内源激素如脱落酸、BR的含量来诱导一些胁迫响应基因的表达，激活西兰花苗中的“MYR-硫苷”防御体系，从而调控SFN的合成。

2.2.4 钙盐

钙离子（Ca2+）是所有真核细胞中的普遍信号，在细胞信号传导中充当第二信使，参与植物代谢的很多途径。在植物中，Ca2+可与钙调蛋白（CaM）结合成Ca2+/CaM复合体，通过其浓度变化将胞外信号传导到胞内，用以启动和调节胞内的生理生化过程。研究发现，10 mmol/L CaCl2处理可使西兰花苗中MYR基因表达上调，SFN含量增加约99%。

2.2.5 硒化物

硒和硫同属第6主族元素，有相似的理化特性并在植物中共享同一条代谢途径。西兰花是富硒富硫植物，硒积累增加（5 μmol/L以上）会显著影响其含硫化合物（硫苷）的合成。用100 μmol/L亚硒酸钠和硒酸钠处理西兰花苗，与对照组相比，SFN含量分别增加15.5%和23.7%，硒处理提高西兰花苗中SFN含量的机理可能与硫硒竞争抑制效应、MYR活性增强和合成基因ST5b表达增加有关。

2.2.6 微酸性电解水（SAEW）

SAEW指在无隔膜的电解装置中电解稀盐酸溶液，获得的pH 5.0～6.5、氧化还原电位约800 mV、有效氯质量浓度（ACC）10～60 mg/L的功能水。Li Lizhen等通过优化光照条件和SAEW参数指标（pH 5.6、ACC 50 mg/L），发现西兰花苗中GRA和SFN含量进一步增加，其中SFN含量最高增加至11.49 mg/g（干基），相比于对照组提高61.2%。SAEW中的HClO、ClO-等成分会对植物产生氧化胁迫，可能是通过影响其内源激素、活性氧（ROS）水平和抗氧化酶活性调控SFN生成。但目前关于SAEW调控西兰花苗中SFN合成的具体分子机制的相关报道较少，可以从氧化胁迫角度进一步深入研究其作用机理。

2.3 联合处理

除通过以上单因素手段调控西兰花苗中SFN合成外，现在越来越多的研究集中在通过2 种或以上方式联合处理西兰花苗，探究多因素互作对SFN合成的影响，如用2,4-表油菜素内酯（EBR）单独处理西兰花芽，GRA含量降低，而40 mmol/L NaCl溶液联合2 nmol/L EBR处理却使GRA含量提高85%，这可能是由于BR促进了盐胁迫下GRA的合成，也可能与植物激素的胁迫程度依赖性双向效应有关。用160 mmol/L NaCl+100 μmol/L SA联合处理西兰花苗，水解过程中的MYR酶活及相关基因表达增加，而硫苷生物合成途径的转录情况无显著变化，SFN含量相比于未处理组提高近6 倍。除NaCl外，CaCl2还可以与其他手段相联合。Li Cui等将CaCl2和SAEW结合，制备CaCl2-HCl复合电解水并将其用于西兰花苗的培育，结果发现，西兰花苗中的SFN含量提高26.1%、萝卜硫腈含量降低50.9%，MYR活性提高41.5%。这可能是由于CaCl2-HCl复合电解水处理激活了西兰花苗中的ROS和钙信号，信号向下传递给SFN合成相关转录因子，然后转录因子促进SFN合成相关结构基因的表达，从而影响西兰花苗中SFN的合成。多方法联合处理对西兰花苗中SFN合成的调控效果显著，但其涉及的影响因素较多、调控机理复杂，关于组合方式的选择及多因素互作的机理还需进一步深入研究。

西兰花苗中SFN含量因基因型的不同而存在较大的差异。SFN含量的影响因素复杂，整个过程受品种、环境、外源添加物等多种因素影响。目前国内外学者主要着眼于SFN的合成途径，从改变生长环境、添加外源物质及多种方法联合处理等方面促进西兰花苗生长过程中SFN的合成，具体调控方法如表1所示。

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结 语

本文总结了前人关于西兰花苗中SFN的合成和降解过程的研究，在此基础上，又进一步综述通过改变处理手段提高西兰花苗生长过程中SFN积累的研究现状（图3）。SFN主要由西兰花苗中含量丰富的GRA水解形成，是迄今发现的植物源食品中抗癌活性最高的物质之一，具有治疗许多人类疾病的潜力，主要由西兰花苗中含量丰富的GRA水解形成。随着西兰花苗中硫苷合成过程和SFN生理功能的逐步揭示，采用不同的调控手段胁迫西兰花种子发芽和生长，富集西兰花苗中的SFN早已成为很多学者关注和研究的重点。此外，也可采用分子育种手段提高西兰花苗中的GRA含量和MYR活性、减少ESP蛋白的形成，从而达到富集SFN的目的。已有学者通过基因工程手段（RNA干涉技术）使芥菜型油菜中AOP2不表达，提高了GRA含量。

然而，关于富集西兰花苗中SFN的研究还存在很多问题，仍有很多方面需要进一步研究：1）虽然已知西兰花苗中SFN合成的过程及其中的一些调控基因，但目前大多数研究均从GRA合成相关基因的表达情况、MYR酶活及ESP活性方面阐述各种调控手段的作用机理，在关键酶基因和转录因子响应外源刺激过程中，其上游具体作用元件和调控模式尚不清晰，亟待解决。2）多种手段联合调控已被证明可以更加有效地富集西兰花苗中的SFN，但多种因素如何相互作用调控SFN合成、如何选择可以富集SFN的联合调控手段等问题仍需进一步研究。3）目前研究的调控手段大多着眼于SFN的合成途径，对SFN在植物中的降解途径关注较少。通过抑制SFN降解生产高SFN含量的西兰花苗也是一种新思路。4）基于合成生物学的理念，设计和创建人工细胞工厂发酵生产目标化合物是一种新的SFN获取模式。

综上所述，为得到高SFN含量的西兰花苗，需要逐步明确各手段调控SFN合成的具体分子机制，并不断发掘新的有效调控手段和新技术，从而为提高植物源食品的功能性提供依据。

第一作者：

李翠，中国农业大学食品科学与营养工程学院，博士研究生，研究方向为西兰花苗中活性物质富集及转化机理研究。

通信作者：

刘海杰，中国农业大学食品科学与营养工程学院，教授。2005年于日本筑波大学生命环境科学研究科获农学博士学位，研究方向：食品科学与工程、食品功能性成分生物转化。现任中国农业工程学会农产品加工及贮藏分会常务理事。先后主持多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目以及农业部财政项目等。

本文《西兰花苗中萝卜硫素合成的调控手段研究进展》来源于《食品科学》2025年46卷第1期210-217页，作者：李翠，方胜，赵忠良，刘海杰。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231130-261。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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