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葱属（Allium L.）是被子植物中最大的属之一，约有920个种（Herden et al.，2016）。最新APG IV分类系统将葱属分在天门冬目（Asparagales）石蒜科（Amaryllidaceae）葱亚科（Allioideae）葱族（Allieae）中（The angiosperm phylogeny group，2016）。大蒜（A. sativum）、洋葱（A. cepa）、大葱（A. fistulosum）、韭菜（A. tuberosum）等大多葱属植物都具有独特的辛辣风味，常被作为蔬菜、调味料、药用和观赏植物利用。葱属植物具有预防心血管疾病、抗氧化、抗癌护肝、抗菌消炎、提高机体免疫能力、预防糖尿病和肠胃疾病等作用（黄晴等，2018; 李莎莉等，2018; Yoshimoto &Saito，2019; Yamaguchi &Kumagai，2020），在农业和医药行业有很大的应用潜力，具有重要的经济价值。
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S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜（S-alk（en）ylcysteine sulfoxides）是葱属植物特有的次生代谢产物。S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜分解生成的各种挥发性含硫化合物使葱属植物具有独特辛辣风味和生物活性。S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜是一种非蛋白氨基酸，本身无挥发性、无刺激性气味，一般存在于细胞质中，而裂解S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的蒜氨酸酶（alliinase）存在于液泡中。当细胞受到破坏时，贮存在液泡中的蒜氨酸酶与细胞质中的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜相遇，快速发生反应，形成多种挥发性含硫化合物，从而使葱属植物具有独特的风味和药用价值（Lancaster &Collin，1981; Rose et al.，2005）。S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜是葱属植物风味物质的前体，研究其代谢途径具有重要意义。因此，本研究从葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的种类、代谢途径及参与代谢的酶等方面进行概述，以期为今后葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的代谢途径研究提供参考。
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1 葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜及其生物合成的中间产物
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1.1 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜
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目前，已从葱属植物中分离鉴定出7种S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜（图1）。Stoll和Seebeck（1948）最先从大蒜中分离出了S-烯丙基半胱氨酸亚砜（S-allylcysteine sulfoxide，俗称蒜氨酸，alliin）; 随后，Virtanen和Matikkala（1959）在洋葱中鉴定出S-丙烯基半胱氨酸亚砜（S-1-propenylcysteine sulfoxide，俗称异蒜氨酸，isoalliin）、S-甲基半胱氨酸亚砜（S-methylcysteine sulfoxide，俗称甲基蒜氨酸，methiin）和S-丙基半胱氨酸亚砜（S-propylcysteine sulfoxide，俗称丙基蒜氨酸，propiin）。以上4种S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜是葱属植物独特风味和药用价值的主要来源。此外，在葱属植物中还发现了3种低含量的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜，分别是S-乙基半胱氨酸亚砜（S-ethylcysteine sulfoxide，俗称乙基蒜氨酸，ethiin）、S-丁基半胱氨酸亚砜（S-n-butylcysteine sulfoxide，俗称丁基蒜氨酸，butiin）和环蒜氨酸（cycloalliin）（Ueda et al.，1994; Kubec et al.，2000; Kubec et al.，2002）。在上述7种S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜中，蒜氨酸、异蒜氨酸和环蒜氨酸为同分异构体。
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不同葱属植物因含有不同种类的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜而产生不同的风味。蒜氨酸在大蒜鳞茎中的含量最高，而洋葱和大葱中几乎不含蒜氨酸。洋葱鳞茎和大葱中含量最高的是异蒜氨酸，而韭菜中甲基蒜氨酸的含量最高（Edwards et al.，1994b; Kubec et al.，2000; Fritsch &Keusgen，2006; Yamazaki et al.，2011）。甲基蒜氨酸在葱属植物中普遍存在，而丙基蒜氨酸只在部分葱属植物中检测到且含量较低（Fritsch &Keusgen，2006）。
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1.2 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的中间产物
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除S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜以外，葱属植物中还存在很多S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢的中间产物，包括γ-谷氨酰-S-烷（烯）基半胱氨酸（γ-glutamyl-S-alk（en）ylcysteine）、γ-谷氨酰-S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜（γ-glutamyl-S-alk（en）ylcysteine sulfoxide）、S-烷（烯）基谷胱甘肽（S-alk（en）ylglutathione）和S-烷（烯）基半胱氨酸（S-alk（en）ylcysteine）等（Whitaker，1976）。这些中间产物既能合成S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜，也能起到贮存氮和硫的作用（Jones et al.，2004; Rose et al.，2005）。
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S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中的中间产物具有药用和保健功能。大蒜中的S-烯丙基半胱氨酸不仅具有抗癌和降低胆固醇的作用，还在预防和治疗阿尔茨海默症方面有应用前景（Ray et al.，2011; Ng et al.，2012; Colín-González et al.，2015）。另外，S-烯丙基半胱氨酸的立体异构体S-1-丙烯基半胱氨酸，在预防和缓解心血管疾病特别是高血压方面效果很好（Kodera et al.，2017; Matsutomo et al.，2017）。
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2 葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成
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2.1 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成途径
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采用放射性示踪法的研究表明，葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜中的半胱氨酸部分主要来自谷胱甘肽中的半胱氨酸残基，S-烷（烯）基部分的烯丙基、丙烯基和丙基来自缬氨酸代谢产生的甲基丙烯酸，而甲基、乙基和丁基的来源还不清楚（Lancaster &Shaw，1989; Edwards et al.，1994a）。环蒜氨酸和异蒜氨酸是同分异构体，常温条件下在洋葱中的环蒜氨酸很少，在加热条件下，异蒜氨酸会大量转化为环蒜氨酸（Ueda et al.，1994）。
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目前，科学家普遍认可的葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成途径是谷胱甘肽途径（图2）。在谷胱甘肽途径中，谷胱甘肽先与缬氨酸代谢的甲基丙烯酸结合生成S-（2-羧丙基）谷胱甘肽，之后脱去甘氨酰基生成γ-谷氨酰-S-（2-羧丙基）半胱氨酸，其中S-2-羧丙基经脱羧氧化后形成γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸或γ-谷氨酰-S-丙烯基半胱氨酸（Yoshimoto &Saito，2019; Sun et al.，2020）。γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸和γ-谷氨酰-S-丙烯基半胱氨酸是可以相互转化的同分异构体，其中S-烯丙基和S-丙烯基可发生还原反应生成γ-谷氨酰-S-n-丙基半胱氨酸（Lancaster &Shaw，1989）。γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸、γ-谷氨酰-S-丙烯基半胱氨酸和γ-谷氨酰-S-n-丙基半胱氨酸经过S-加氧反应和脱谷氨酰基反应后生成蒜氨酸、异蒜氨酸和丙基蒜氨酸。S-加氧反应和脱γ-谷氨酰基反应发生的先后顺序因葱属植物种类和S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜种类的不同而不同。洋葱异蒜氨酸的生物合成中S-加氧反应可能在脱谷氨酰基反应之前（Lancaster &Shaw，1989）; 而大蒜的蒜氨酸生物合成则与洋葱的异蒜氨酸相反，S-加氧反应发生在脱γ-谷氨酰基反应之后（Yoshimoto et al.，2015a，b）。甲基蒜氨酸的生物合成与蒜氨酸、异蒜氨酸和丙基蒜氨酸相似（Lancaster &Shaw，1989）。除谷胱甘肽途径外，葱属植物中还可能存在一种不经过谷胱甘肽的途径，由半胱氨酸直接烷（烯）基化或O-乙酰基丝氨酸直接硫代烷（烯）基化生成S-烷（烯）基半胱氨酸，之后发生S-加氧反应生成各种S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜（Ikegami &Murakoshi，1994）。
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图1 葱属植物中鉴定出的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜
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Fig.1 S-alk (en) ylcysteine sulfoxides identified from Allium
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2.2 参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的酶
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植物次生代谢物生物合成的每一个步骤大多都需要特定的酶催化，葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成也不例外。但目前，对葱属植物中参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成酶的研究较少，只有大蒜中催化脱γ-谷氨酰基反应的γ-谷氨酰转肽酶（γ-glutamyl transpeptidase，GGT; EC 2.3.2.2）和催化S-加氧反应的含黄素的单加氧酶（flavin-containing monooxygenase，FMO; EC 1.14.13.8）在分子水平上得到了确认（Yoshimoto et al.，2015a，b）。在拟南芥谷胱甘肽代谢途径中，γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-glutamylcysteine synthetase，GSH1; EC 6.3.2.2）、谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase，GSH2; EC 6.3.2.2）是谷胱甘肽生物合成途径中的两个关键酶，植物螯合肽合酶（phytochelatin synthase，PCS; EC 2.3.2.15）是催化谷胱甘肽结合物脱去甘氨酰基反应的酶（May &Leaver，1994; Rawlins et al.，1995; Blum et al.，2007）。Sun等（2020）参考拟南芥的谷胱甘肽代谢途径，把在大蒜基因组中鉴定出的4个拟南芥GSH1的同源基因、1个拟南芥GSH2的同源基因和1个拟南芥PCS的同源基因作为参与大蒜蒜氨酸生物合成的候选基因，并研究了这些基因的时空表达，但未对其功能做进一步研究。
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2.2.1 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成中的脱γ-谷氨酰基反应
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目前，植物中具有脱γ-谷氨酰基功能的酶有两类:一类是GGTs家族，在拟南芥中有4个成员，主要在细胞外或液泡内催化谷胱甘肽和谷胱甘肽结合物脱去γ-谷氨酰基（Martin et al.，2007）; 另一类是γ-谷氨酰肽酶（γ-glutamyl peptidases，GGPs）家族，在拟南芥中有5个成员，可催化植物细胞质中的谷胱甘肽结合物脱去γ-谷氨酰基（Geu-Flores et al.，2011）。在葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成途径中，其中间产物γ-谷氨酰-S-烷（烯）基半胱氨酸只有完成脱γ-谷氨酰基反应才能最后生成S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜。因此推测，葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成途径中一定有脱γ-谷氨酰基功能的酶参与。
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Cho等（2012）在大蒜中克隆了1个AsGGT序列片段，在低温贮藏条件下其表达量显著上升，推测其可能参与了低温冷藏期间大蒜变绿过程中的蒜氨酸合成。Yoshimoto 等（2015a）从大蒜中克隆了3个GGT基因，分别命名为AsGGT1、AsGGT2和AsGGT3，其中AsGGT3与Cho等（2012）克隆的AsGGT是同一个基因。系统进化树分析结果表明，AsGGT1和AsGGT2与拟南芥的AtGGT4亲缘关系最近，AsGGT3与拟南芥的AtGGT1和AtGGT2亲缘关系最近。体外酶活性测定结果表明，这3个GGTs都具有催化γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸脱去γ-谷氨酰基生成S-烯丙基半胱氨酸的活性，但对γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸亚砜几乎没有活性，表明大蒜中γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸的脱γ-谷氨酰基反应发生在S-加氧反应之前。亚细胞定位分析表明，AsGGT2主要定位在液泡中，而AsGGT1和AsGGT3无明显的信号肽，它们可能定位在细胞质中。在拟南芥中，AtGGT1和AtGGT2定位在细胞质膜外，AtGGT3和AtGGT4定位在液泡中，未见有GGTs定位于细胞质的报道（Grzam et al.，2007; Ohkama-Ohtsu et al.，2007a; Ohkama-Ohtsu et al.，2007b）。因此，AsGGT2与AtGGT4可能有相似的功能，而AsGGT1和AsGGT3是否在大蒜的细胞质中执行脱γ-谷氨酰基反应还需要进一步研究。截至目前，在洋葱中发现了2个AcGGT基因。其中，1个AcGGT是从发芽的洋葱鳞茎中纯化出来，对S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜合成过程中的中间产物有很高的底物特异性（Lancaster &Shaw，1994）; 另1个AcGGT对谷胱甘肽和谷胱甘肽S-结合物有很高的底物特异性，但对γ-谷氨酰-S-丙烯基半胱氨酸亚砜则没有活性（Shaw et al.，2005）。
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图2 葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜可能的代谢途径
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Fig.2 Putative metabolic pathway for S- alk (en) ylcysteine sulfoxides in Allium
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目前，葱属植物中还未见有GGPs家族基因功能的报道。拟南芥中GGP1和GGP3在硫代葡萄糖苷和植保素的生物合成中具有重要作用，主要在细胞质中催化谷胱甘肽S-结合物的脱γ-谷氨酰基反应（Geu-Flores et al.，2011）。在洋葱细胞中，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜和其中间产物γ-谷氨酰肽主要在细胞质中积累（Lancaster et al.，1989）。因此推测，葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成过程中的脱γ-谷氨酰基反应发生在细胞质中。拟南芥的GGP1和GGP3定位于细胞质，它们是否参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成过程中的脱γ-谷氨酰基反应还需进一步研究。
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2.2.2 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成中的S-加氧反应
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S-加氧反应是葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中最重要的步骤之一。蒜氨酸酶只对S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜有活性，而对生物合成过程中的其他含硫中间产物没有活性。含黄素的单加氧酶（FMOs）是在动物、植物和微生物中广泛存在的一类催化加氧反应的酶。在辅基FAD和辅因子NADPH存在的条件下，FMOs可以将羟基转移到各种小的、亲核的、含杂原子的（如氮、硫、硒或碘）底物上（Krueger &Williams，2005; Schlaich，2007）。植物的FMOs根据氨基酸序列的相似性分成了3个进化枝，在植物天然产物的生物合成过程中发挥着重要作用（Schlaich，2007）。例如，植物FMOs第一进化枝的成员FMO1参与了植物获取系统获得性抗性的重要调控因子N-羟基化哌啶酸（N-hydroxypipecolic acid）的生物合成（Hartmann et al.，2018）; 第二进化枝的成员在植物生长素合成中有重要作用（Yamamoto et al.，2007; Mashiguchi et al.，2011）; 第三进化枝的FMOs成员可催化S-甲硫烷基硫代葡萄糖苷的S-加氧反应，在脂肪族硫代葡萄糖苷的侧链修饰中发挥重要作用（Hansen et al.，2007; Li et al.，2008; Kong et al.，2016）。在研究哺乳动物FMOs的功能中，发现一些哺乳动物的FMOs能催化S-丙烯基半胱氨酸形成蒜氨酸（Krause et al.，2002; Novick &Elfarra，2008）。
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综上所述，可推测葱属植物中执行S-加氧反应的酶是FMO蛋白。在葱属植物S-加氧酶被克隆之前，人们对其特性已有一定的了解。不同葱属植物的S-加氧酶对不同种类S-烷（烯）基半胱氨酸底物没有选择性，如洋葱中的S-加氧酶不仅能催化S-丙烯基半胱氨酸形成异蒜氨酸，还能催化S-甲基半胱氨酸、S-乙基半胱氨酸和S-烯丙基半胱氨酸分别形成甲基蒜氨酸、乙基蒜氨酸和蒜氨酸。另外，不同葱属植物的S-加氧酶都能催化S-烯丙基半胱氨酸产生蒜氨酸（Ohsumi et al.，1993）。采用同源序列法，Yoshimoto等（2015b）在大蒜中克隆了1个位于植物FMO家族第三进化枝、定位于细胞质、长1 371 bp、编码457个氨基酸的FMO基因，命名为AsFMO1，对葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中的S-加氧反应有了深入的了解。体外蛋白活性结果表明，大蒜AsFMO1重组蛋白既有很强的立体选择性，只能催化形成（+）-蒜氨酸（RCSS-S-allycysteine sulfoxide），又有很强的底物选择性，对S-烯丙基半胱氨酸的活性很强而对γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸的活性很弱。葱属植物FMOs家族的其他成员是否参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成还需进一步研究。
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2.3 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成与积累部位
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在葱属植物不同组织中，积累S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的含量差异很大。大蒜和洋葱的鳞茎是积累S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的主要组织，而韭菜花中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的含量最高（Yoshimoto &Saito，2019; Liu et al.，2021）。葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜主要是在绿色营养叶中合成的，叶绿体是S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成所必需的（Lancaster et al.，1988; Yoshimoto &Saito，2019）。绿色营养叶合成的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜通过维管系统转运到正在发育的鳞茎中（Yamazaki et al.，2002）。大蒜成熟鳞茎中不仅积累大量的蒜氨酸，还在贮藏叶中积累一定量的γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸。在大蒜鳞茎萌发过程中，γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸经过脱γ-谷氨酰基反应和S-加氧反应转化为蒜氨酸，在保护嫩芽不受病原菌和食草动物危害方面具有一定的作用（Ichikawa et al.，2006; Yoshimoto et al.，2015a; Yoshimoto &Saito，2019）。由于参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的谷胱甘肽主要在细胞质和叶绿体中合成，而另一个参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的甲基丙烯酸是由缬氨酸代谢产生的，缬氨酸代谢发生在线粒体或过氧化物酶体中（Lancaster et al.，1989; Binder et al.，2007）。因此，在亚细胞水平上，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜主要在细胞质中积累，但其具体的合成部位还不十分清楚，有待进一步研究。
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2.4 硫肥和硒肥对S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的影响
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葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成会受到土壤中硫肥含量的影响。增施硫肥能明显增加大蒜和洋葱鳞茎等葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成（Randle et al.，1995; Bloem et al.，2004; Lundegårdh et al.，2008）。硫肥含量还能影响S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜在总含硫化合物中的比例以及异蒜氨酸和甲基蒜氨酸的比例。在缺硫条件下，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜在总含硫化合物中的比例会升高。另外，在硫肥充足条件下，洋葱鳞茎中异蒜氨酸是主要的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜，在缺硫条件下，甲基蒜氨酸是洋葱鳞茎中主要的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜（Randle et al.，1995）。
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硒是人体必需的微量元素，对维持人体健康具有十分重要的作用。葱属植物因具有积累含硫化合物的能力而使其成为潜在的硒生物强化作物。硒和硫有相似的化学性质，很多参与硫代谢的酶对硒代谢有相同的功能。葱属植物吸收硒后可以代替硫参与到含硫化合物的代谢途径中，形成Se-烷（烯）基硒代半胱氨酸亚砜（González-Morales et al.，2017; Trippe Ⅲ and Pilon-Smits，2021）。富硒葱属植物主要以硒-甲基硒代半胱氨酸（Se-methylselenocysteine）和γ-谷氨酰-硒-甲基硒代半胱氨酸（γ-glutamyl-Se-methylselenocysteine）等有机硒化合物的形式积累硒（Dong et al.，2001; Shah et al.，2004; Arnault &Auger，2006），这些有机硒化合物在抗肿瘤方面有很好的效果。因此，在葱属作物栽培过程中，适当增施硒肥可以明显提高葱属作物中的有机硒含量，从而提高葱属作物的保健功能和经济价值。
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3 葱属植物中S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的降解
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3.1 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的降解途径
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S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜是葱属植物各种风味活性物质的前体物质。亚细胞分离技术和免疫组化技术研究表明，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜在叶肉细胞的细胞质中积累，而蒜氨酸酶则被隔离在维管束鞘细胞的液泡中（Lancaster &Collin，1981; Ellmore &Feldberg，1994; Yamazaki et al.，2002）。当葱属植物细胞受到破坏后，蒜氨酸酶与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜接触，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜在蒜氨酸酶的作用下形成烷（烯）基次磺酸、丙酮酸和氨（Rose et al.，2005）。除了洋葱中存在一种催泪因子合成酶（lachrymatory factor synthase，LFS）可以催化（E）-1-丙烯基次磺酸 [（E）-1-propenylsulfenic acid]转化为催泪因子 [（Z）-丙硫醛-S-氧化物，（Z）-propanthial S-oxide]以外，其他葱属植物中都不含有催化烷（烯）基次磺酸反应的酶（Imai et al.，2002）。烷（烯）基次磺酸很不稳定，不需要酶的催化，即可自发的发生一系列反应，最终可形成50多种含硫化合物（Nohara et al.，2017; Yoshimoto &Saito，2019; Nohara et al.，2021）。2分子的烷（烯）基次磺酸可自发的发生缩合反应，脱去1个H2O后形成烷（烯）基硫代亚磺酸酯（thiosulfinate）。第1个得到鉴定的烷（烯）基硫代亚磺酸酯来自大蒜的二烯丙基硫代亚磺酸酯（diallyl thiosulfinate），又被称为大蒜素（allicin）（Cavallito &Bailey，1944）。烷（烯）基硫代亚磺酸酯也不稳定，可进一步发生一系列自发反应形成多种含硫化合物。这些自发的反应包括 [3，3]-σ移位重排反应、分子内环加成反应和狄尔斯-阿尔德反应等，产生的含硫化合物包括阿焦烯（ajoene）、二烯丙基三硫醚（diallyl trisulfide，DATS）、二烯丙基二硫醚（diallyl disulfide，DADS）、二烯丙基硫醚（diallyl sulfide，DAS）、2-乙烯基-4H-1，3-二噻烯（2-vinyl-4H-1，3-dithiin）、3，4-二甲基硫醇烷（3，4-dimethiolane）等（Nohara et al.，2017; Block et al.，2018; Kubec et al.，2018）。这些含硫化合物赋予了葱属作物特有的刺激性风味，其各种理化性质还使得葱属作物具有很高的药用和保健价值。
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葱属植物在加工和贮藏过程中发生的绿变或红变反应与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的降解有关。葱属植物变色反应中产生的颜色是由多种色素物质组成的，不同葱属植物的变色反应，如大蒜的绿变和洋葱的红变积累的色素物质并不相同，但色素物质的合成机制很相似（Kubec et al.，2004; Imai et al.，2006; Kato et al.，2013; 何贵山等，2017; Kubec et al.，2017）。多数研究都证明异蒜氨酸是葱属植物发生变色反应的关键化合物（Lukes，1986; Kubec et al.，2004; Cho et al.，2009; Dong et al.，2010）。异蒜氨酸经蒜氨酸酶裂解后产生的1-丙烯基次磺酸既可自发发生缩合反应生成1-丙烯基硫代亚磺酸酯，也可与其他次磺酸发生分子间的缩合反应生成含有1-丙烯基的硫代亚磺酸酯（Kubec &Velíšek，2007）。含有1-丙烯基的硫代亚磺酸酯可与葱属植物中几乎所有的氨基酸反应生成色素物质的前体吡咯基氨基酸（Cho et al.，2009; Lee et al.，2012）。作为色素物质的前体，吡咯基氨基酸与葱属植物中天然存在的（硫代）羰基反应，最终生成色素类物质（Kato et al.，2013; Kubec et al.，2017）。
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3.2 S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜降解途径中的关键酶
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3.2.1 蒜氨酸酶
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又名蒜氨酸裂解酶或S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜酶，属于Ⅰ型依赖于5′-磷酸吡哆醛（pyridoxal5′-phosphate，PLP）的C-S键裂解酶，能水解S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生成烷（烯）基次磺酸、丙酮酸和氨，是形成葱属作物风味物质和生物活性物质的关键酶（Nock &Mazelis，1987; Manabe et al.，1998）。值得一提的是，洋葱中蒜氨酸酶基因表达量的显著降低会影响催泪因子和各种风味物质的合成，产生不催泪和没有辛辣味的洋葱（Kato et al.，2016）。因此，蒜氨酸酶基因是人工调控葱属植物风味物质含量的重要基因。前人研究表明，葱属植物的蒜氨酸酶是由多基因家族编码的（Ovesná et al.，2015; Sayadi et al.，2020）。大蒜、洋葱、韭菜和火葱（A. cepa var. aggregatum）等多种葱属植物的蒜氨酸酶基因都已得到克隆（van Damme et al.，1992; Manabe et al.，1998; Lancaster et al.，2000; Do et al.，2004; 唐巧玲，2013; 白芙荣，2017）。由于缺乏葱属植物基因组信息，蒜氨酸酶基因在葱属植物基因组中的具体数量和染色体分布情况一直不清楚，直到2020年，Sun等（2020）才对大蒜基因组进行了测序，从中鉴定出60个蒜氨酸酶基因，其中38个可以在不同的组织中表达。葱属植物鳞茎和叶中的蒜氨酸酶与根中的并不相同，相同组织中的蒜氨酸酶有较高的同源性，而不同组织中的蒜氨酸酶的同源性较低（Rabinkov et al.，1994; 唐巧玲，2013）。
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葱属植物的蒜氨酸酶基因大都编码约480个氨基酸，其中N-末端30~40个氨基酸为液泡定位的信号肽（van Damme et al.，1992; Manabe et al.，1998）。大多葱属植物中的蒜氨酸酶是以同聚体形式存在的，如大蒜中的蒜氨酸酶为二聚体，由2个分子量均为51 500 u的小亚基组成，洋葱中的蒜氨酸酶为三聚体或四聚体，由3~4个分子量均为50 000 u的小亚基组成（Nock &Mazelis，1986; Nock &Mazelis，1987; Rabinkov et al.，1994）。蒜氨酸酶有多种底物，除环蒜氨酸以外，其他6种蒜氨酸都可作为蒜氨酸酶的底物，在不同葱属植物的蒜氨酸酶中，同一种酶对不同底物的酶活性都有差异（程龙军和郭得平，2001）。温度、pH、金属离子等因素对蒜氨酸酶的活性都会产生影响（Jansen et al.，1989; Krest &Keusgen，1999）。
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通过比较已克隆的葱属植物蒜氨酸酶的氨基酸序列，发现蒜氨酸酶都有4类保守的结构域，分别是类表皮生长因子结构域（EGF-like domain）、PLP结合域、天冬氨酸氨基转移酶超家族结构域和催化结构域（唐巧玲，2013）。其中，关于PLP结合域的研究较多，PLP结合域位于蒜氨酸酶的中部，辅因子PLP的结合位点在这个结构域的赖氨酸上。不同葱属植物蒜氨酸酶的PLP结合位点被研究得比较清楚，如大蒜蒜氨酸酶的PLP结合位点是成熟蛋白的第251位赖氨酸，韭菜蒜氨酸酶是第280位赖氨酸，洋葱鳞茎蒜氨酸酶是第285位赖氨酸（Kitamura et al.，1997; Manabe et al.，1998; Shimon et al.，2007）。类表皮生长因子结构域位于蒜氨酸酶的N-末端，由含有6个半胱氨酸残基的一段序列以C-x18-19-C-x-C-x2-C-x5-C-x6-C的方式排列，其确切功能还不清楚，推测可能与蒜氨酸酶最终定位于液泡有关（Kuettner et al.，2002）。这个结构域在植物蛋白中很少见，但在蒜氨酸酶中十分保守，可作为识别新的蒜氨酸酶的结构域（Sayadi et al.，2020）。大蒜蒜氨酸酶晶体结构分析表明，蒜氨酸酶的10个半胱氨酸残基中的8个可以形成4个二硫键，分别是Cys20-Cys39、Cys41-Cys50、Cys44-Cys57和Cys368-Cys376。其中，前3个位于类表皮生长因子结构域中，第4个位于酶的C-末端，在保持催化区域的稳定和底物、辅助因子的相对方向中具有重要作用; 另外2个半胱氨酸残基Cys220和Cys350是2个自由的硫醇，距离酶的活性位点较远，其化学修饰对酶的活性没有影响（Weiner et al.，2009）。蒜氨酸酶是一种糖蛋白，每一个蒜氨酸酶单体的肽链上都有多个糖基化位点。氨基酸序列分析表明，大蒜蒜氨酸酶有4个潜在的糖基化位点，分别是Asn19、Asn146、Asn191和Asn328（Rabinkov et al.，1995）。晶体结构分析发现，只有位点Asn146和位点Asn328可以被利用，其中位点Asn146位于2个亚基的连接处，通过糖链把2个亚基结合起来，保持二聚体的稳定性，位点Asn328则位于二聚体的表面，不与酶中的任何原子接触（Kuettner et al.，2002; Shimon et al.，2007）。
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3.2.2 催泪因子合成酶
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当洋葱细胞受到破坏时，会释放出让人流泪的挥发性物质，人们称其为催泪因子。早在1971年，Brodnitz和Pascale（1971）就鉴定出洋葱中的催泪因子是（Z）-丙硫醛-S-氧化物 [（Z）-propanthial S-oxide]。在很长一段时间内，人们认为（E）-1-丙烯基次磺酸形成催泪因子是一种自发的反应，没有酶参与的。直到2002年，Imai等（2002）才首次在洋葱中鉴定出了催化（E）-1-丙烯基次磺酸形成催泪因子的酶，将其命名为催泪因子合成酶，并因此获得了2013年的搞笑诺贝尔化学奖。洋葱的LFS全长737 bp，编码169个氨基酸，LFS对（Z）-1-丙烯基次磺酸没有活性，但其产物是（Z）-丙硫醛-S-氧化物。因此，LFS被认为是一种（E）-1-丙烯基次磺酸异构酶（Masamura et al.，2012）。
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洋葱加工过程中催泪因子的释放给工厂或厨房的操作人员造成了很大不便。LFS的发现给创制不催泪的洋葱提供了可能。当采用RNAi技术干扰LFS的表达时，洋葱中LF的合成量大幅度降低，（E）-1-丙烯基次磺酸主要转化为二丙烯基硫代亚磺酸酯（di-1-propenyl thiosulfinate），进而转化为各种硫醇烷型化合物（thiolane-type compounds）（Eady et al.，2008; Aoyagi et al.，2011）。这种不催泪的洋葱可以显著降低人体内环氧化酶-1（cyclooxygenase-1）和α-葡萄糖苷酶（α-glucosidase）的活性，并减少血小板的聚集（Aoyagi et al.，2011; Thomson et al.，2013）。因此，通过基因操作技术创制的不催泪洋葱种质资源，不仅大大减轻洋葱在加工过程中给操作人员带来的不便，还能增加对人体有益的活性物质含量。
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4 展望
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自20世纪中期发现S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜和大蒜素以来，由于其在药用和保健方面具有重大价值，因此阐明S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢产物的化学结构、生物活性以及含硫化合物药物代谢动力学特性的研究越来越多。随着S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢产物生物活性研究的深入，学者们越来越认识到研究S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢途径的重要性。然而，关于葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜降解特别是有关蒜氨酸酶和催泪因子合成酶的研究较多，而关于S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的研究却较少，仅在大蒜和洋葱中有少量报道（Jones et al.，2004; Yoshimoto &Saito，2019）。S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢是植物硫代谢的重要组成部分，同时涉及半胱氨酸、谷胱甘肽和缬氨酸的代谢。截至目前，得到鉴定的葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中的关键酶只有大蒜的催化脱γ-谷氨酰基反应的γ-谷氨酰转肽酶（AsGGT1、AsGGT2和AsGGT3）和催化S-加氧反应的含黄素的单加氧酶（AsFMO1）（Yoshimoto et al.，2015a，b）。GGTs和FMOs都是多基因家族，除已经鉴定功能的GGTs和FMOs外，家族中的其他成员是否参与烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成还需要进一步研究。拟南芥等模式植物中有关半胱氨酸、谷胱甘肽、硫代葡萄糖苷等含硫化合物的代谢途径研究为葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的代谢途径研究提供了参考。Sun 等（2020）参考拟南芥谷胱甘肽代谢途径，研究了大蒜AsGSH1a、AsGSH1b、AsGSH1c、AsGSH1d、AsGSH2和AsPCS1的时空表达模式，但未见有进一步基因功能研究的报道。前人已经证实缬氨酸的代谢产物甲基丙烯酸参与S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成，但具体的代谢途径和参与的关键酶还不清楚。因此，下一步研究的重点仍然是S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中关键酶的鉴定与功能研究。
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在葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢调控方面，仅有少量关于调控S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜降解的研究报道（Aoyagi et al.，2011; Thomson et al.，2013; Kato et al.，2016）。另外，还有关于组培和施肥对S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜含量和成分影响的研究报道（Prince et al.，1997; 许真等，2007），但未见有关于S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成分子调控方面的研究报道。造成这种现状的主要原因是S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成途径还不十分清楚。此外，S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜是植物硫代谢的下游产物，上游还涉及含硫化合物的吸收、转运和半胱氨酸的合成等过程，这些代谢过程的变化都会影响到S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的生物合成。但是，关于葱属植物硫代谢的研究很少，今后还要加强葱属植物硫代谢途径的研究，为S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成的调控研究奠定基础。
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随着组学技术的快速发展，基因组学、转录组学和代谢组学等组学技术在大蒜、大葱和韭菜等葱属植物的研究中得到了应用，特别是大蒜基因组序列组装的完成（Sun et al.，2016; Khandagale et al.，2020; 李延龙等，2020; Sun et al.，2020; Liu et al.，2021），为葱属植物烷（烯）基半胱氨酸亚砜的代谢途径的研究提供了大量的参考序列。总之，明确葱属植物S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜生物合成途径中的关键中间产物和关键酶及其相关基因的功能，全面解析S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜的代谢途径，明确各合成反应的细胞分区、亚细胞定位、产物转运以及各代谢途径之间的相互关系和基因调控网络是今后研究的重点。这些研究将为利用分子育种技术调控葱属植物的S-烷（烯）基半胱氨酸亚砜代谢提供理论依据。
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摘要
葱属植物是被子植物中最大的属之一,包括大蒜、洋葱、大葱、韭菜等多种具有独特辛辣风味的蔬菜作物。S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜是葱属植物特有的次生代谢产物,是葱属植物各种挥发性含硫化合物的前体物质,由于其赋予葱属植物独特的辛辣风味和药用价值,因此研究葱属植物S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜的代谢途径具有重要意义。在葱属植物中已发现7种S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜,这些S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜主要在叶片中先经谷胱甘肽途径合成,再转运到鳞茎等贮藏器官的细胞质中积累。目前,关于葱属植物S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜降解的研究较多,而S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜生物合成的研究则较少。S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜是植物硫代谢的下游产物,上游涉及含硫化合物的吸收、转运、半胱氨酸和谷胱甘肽的代谢等过程,这些代谢过程的变化可能影响S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜生物合成。今后,应加强以下两方面的研究:一方面,继续克隆鉴定S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜生物合成途径中的关键酶基因,并研究其功能;另一方面,加强葱属植物硫代谢的研究,为研究S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜生物合成的调控奠定基础。该研究结果为深入解析葱属植物S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜的代谢途径以及利用分子育种技术调控葱属植物的风味提供了参考。
Abstract
Allium L. is one of the largest genera of angiosperms, including garlic, onion, green Chinese onion, Chinese chive and other important vegetable crops with unique spicy flavor. S-alk(en)ylcysteine sulfoxides, the unique secondary metabolites of Allium, which giving Allium spicy flavor and medicinal value, are the precursors of various volatile sulfur compounds. Therefore, it is of great significance to study the metabolic pathway of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides in Allium. Seven S-alk(en)ylcysteine sulfoxides have been found in Allium plants. These S-alk(en)ylcysteine sulfoxides are mainly synthesized in leaves through glutathione pathway, and then transported to the cytoplasm of storage organs such as bulbs for accumulation. At present, there are many studies on the catabolism of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides in Allium, while few studies on the biosynthesis of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides. Only two biosynthetic enzymes, γ-glutamyl transpeptidase (GGT) and flavin-containing monooxygenase (FMO), have been confirmed at the molecular level. In addition, S-alk(en)ylcysteine sulfoxides are the downstream products of plant sulfur metabolism. The upstream of S-alk(en)ylcysteine sulfoxide metabolism involves the absorption and transport of sulfur-containing compounds, the metabolism of cysteine and glutathione, and the changes of these metabolic processes may also affect the biosynthesis of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides. With the rapid development of omics technology, genomics, transcriptomics and metabolomics have been applied in the study of Allium plants, especially the completion of garlic genome sequence assembly, which provides great convenience for the study of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides metabolism pathway in Allium plants. Two aspects of research should be strengthened in the future: one is to continue to clone and identify the key enzyme genes in the biosynthesis pathway of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides and study their functions; another is to strengthen the study of sulfur metabolism in Allium plants, so as to lay a foundation for the study of the regulation of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides biosynthesis. These studies will provide a reference for further analyzing the metabolic pathway of S-alk(en)ylcysteine sulfoxides in Allium and regulating the flavor of Allium by molecular breeding technology.
关键词
葱属植物 ； S-烷(烯)基半胱氨酸亚砜 ； 蒜氨酸酶 ； 风味物质 ； 代谢途径
Keywords
Allium ； S-alk(en)ylcysteine sulfoxide ； alliinase ； flavor compound ； metabolic pathway
