Glutathione

期刊：Journal of Hematology & Oncology 影响因子：47.8 客户单位：武汉大学 文章作者：武汉大学医学研究院邓晓颐、博士邓在冬、华中科技大学协和肿瘤科朱斌为共同第一作者。武汉大学中南医院教授陈宁南、教授俞雁寻，合武汉大学中南医院肿瘤科主任、教授医生刘羽为本文共同通讯作者。 研究背景 肿瘤代谢应激与免疫原性细胞死亡的交汇 肿瘤免疫治疗的核心挑战之一，是如何将免疫学上“冷”的肿瘤转化为“热”的肿瘤。免疫原性细胞死亡（ICD）是一种特殊的细胞死亡形式，能够释放损伤相关分子模式（DAMPs），激活树突状细胞，促进抗原呈递，最终激活 CD8+ T 细胞介导的抗肿瘤免疫。然而，肿瘤细胞如何逃逸 ICD，以及代谢应激如何调控这一过程，仍不清楚。 铁死亡和铜死亡是近年来备受关注的两种新型细胞死亡方式。铁死亡以脂质过氧化和铁依赖性活性氧（ROS）积累为特征；铜死亡则依赖于铜离子诱导的线粒体应激和蛋白质毒性。两者都与 ROS 稳态密切相关。谷胱甘肽（GSH）是细胞内最主要的抗氧化分子，而谷胱甘肽二硫还原酶（GSR）是维持 GSH 还原状态的关键酶。GSH/GSR 轴在肿瘤耐药和代谢应激中扮演核心角色，但它是否以及如何调控铁死亡和铜死亡的免疫原性，尚属未知。 武汉大学中南医院教授陈宁南、教授俞雁寻联合武汉大学中南医院肿瘤科主任、教授医生刘羽团队，本研究首次系统揭示了GSR作为铁死亡和铜死亡免疫原性的核心调控节点，阐明了GSR缺失通过放大ROS积累、激活cGAS-STING通路，最终增强抗肿瘤免疫的完整分子机制。  >点击跳转< 该研究以《Glutathione reductase deficiency potentiates the immunogenicity of ferroptosis and cuproptosis via amplified reactive oxygen species accumulation and cGAS-STING pathway activation》为题，于北京时间2026年9月1日发表于《血液学与肿瘤学杂志》。该研究不仅深化了人类对代谢应激如何调控抗肿瘤免疫的理解，也为开发代谢干预联合免疫治疗的新策略提供了全新思路。 核心实验发现与机制解析 01. 现象关联 GSR 是铁死亡和铜死亡免疫原性的关键调控因子 本研究首先通过全基因组 CRISPR 筛选，在多种肿瘤细胞系中鉴定出 GSR 是铁死亡和铜死亡敏感性的关键调控基因。GSR 缺失显著增强了肿瘤细胞对铁死亡诱导剂（如 Erastin、RSL3）和铜死亡诱导剂（如 Elesclomol、Disulfiram）的敏感性。 值得注意的是，GSR 缺失不仅促进细胞死亡，还显著增强了死亡的免疫原性——表现为细胞表面钙网蛋白（CRT）暴露增加、HMGB1 释放增多、ATP 分泌升高，这些都是 ICD 的经典标志。 图1 GSR 缺失增强铁死亡和铜死亡中的免疫激活 02. 功能确证 GSR 缺失通过 ROS 放大激活 cGAS-STING 通路 为了验证 GSR 缺失的免疫原性效应，本研究在多种肿瘤模型中进行了功能实验。 在体外 GSR 敲除或抑制剂处理导致细胞内 ROS 水平显著升高，伴随脂质过氧化产物 4-HNE 和 MDA 的积累。ROS 的过度积累导致线粒体 DNA（mtDNA）泄漏至细胞质，激活 cGAS-STING 通路，诱导 IFN-β 和 CXCL10 等干扰素刺激基因的表达。 图2 GSR 缺失增强线粒体DNA释放和STING通路激活 在体内 GSR 缺失的肿瘤细胞在免疫 competent 小鼠中生长显著受抑制。GSR 缺失肿瘤中 CD8+ T 细胞浸润显著增加，PD-1 表达降低，提示 T 细胞耗竭减轻。 图3 GSR 缺失诱导的肿瘤抑制通过铁死亡和铜死亡发生 03. 机制揭秘 ROS 放大驱动 mtDNA 释放与 STING 激活 GSR 缺失如何激活 cGAS-STING？本研究通过一系列实验揭示了这一机制。 ROS 是核心信使 GSR 缺失导致 GSH 还原能力下降，ROS 清除受阻，细胞内 ROS 水平显著升高。使用 ROS 清除剂 N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以完全逆转 GSR 缺失诱导的 STING 激活和 ICD 标志物释放。 图4 GSR 缺失以 GSR 依赖的方式增强抗肿瘤疗效 mtDNA 是 STING 的配体 ROS 过度积累导致线粒体膜通透性增加，mtDNA 泄漏至细胞质。细胞质 mtDNA 被 cGAS 识别，激活 STING-TBK1-IRF3 通路。敲低 cGAS 或 STING 可显著抑制 GSR 缺失诱导的 IFN-β 分泌和 ICD。 与铁死亡/铜死亡的关联 铁死亡诱导剂和铜死亡诱导剂均通过不同机制增加 ROS。GSR 缺失放大了这一效应，使 ROS 积累超过细胞抗氧化阈值，从而触发 mtDNA 释放和 STING 激活。这解释了为什么 GSR 缺失同时增强铁死亡和铜死亡的免疫原性——两者共享 ROS 放大的共同通路。 图5 GSR 缺失与免疫检查点抑制剂（ICI）治疗产生协同作用 04. 网络特性 GSH/GSR 轴与 STING 通路的协同放大 本研究进一步发现，GSR 缺失不仅通过 ROS 激活 STING，STING 通路的激活还反过来进一步抑制 GSH 合成，形成正反馈放大环路。这种“ROS-STING-GSH”的相互调控网络，使得 GSR 缺失的肿瘤细胞陷入“免疫原性死亡-免疫激活”的良性循环。 研究成果总结 一个全新的代谢-免疫调控范式 本研究系统性地揭示了 GSH/GSR 代谢轴作为铁死亡和铜死亡免疫原性核心调控因子的分子机制。其核心逻辑如下： “ROS 放大 → mtDNA 释放 → cGAS-STING 激活 → ICD 增强 → T 细胞浸润 → 肿瘤抑制” 图6 GSR 缺失连接铁死亡、铜死亡与 cGAS-STING 介导的免疫原性细胞死亡的模型示意图 GSR 缺失导致 GSH 还原能力下降，ROS 清除受阻，ROS 水平升高。ROS 过度积累导致线粒体损伤和 mtDNA 泄漏，激活 cGAS-STING 通路。STING 激活诱导 I 型干扰素分泌，促进树突状细胞成熟和抗原呈递，增强 CD8⁺ T 细胞浸润和杀伤功能。同时，STING 激活进一步抑制 GSH 合成，形成正反馈放大环路。 该研究将 GSH/GSR 轴从单纯的抗氧化代谢节点，提升为肿瘤免疫原性调控的核心执行者，为代谢干预联合免疫治疗提供了全新策略。 研究的创新与突破 ① 概念创新 首次将 GSH/GSR 代谢轴确立为铁死亡和铜死亡免疫原性的共同调控节点，打破了以往将铁死亡和铜死亡视为独立死亡通路的认知。 ② 机制创新 揭示了“ROS 放大 → mtDNA 释放 → cGAS-STING 激活”这一代谢-免疫信号转导通路，为非经典 ICD 机制提供了清晰的分子模型。 ③ 系统特性创新 发现了 GSH/GSR 轴与 STING 通路之间的正反馈放大网络，解释了代谢干预如何将免疫抑制性肿瘤转化为免疫激活状态。 ④ 转化创新 GSR 抑制剂与免疫检查点阻断的联合策略在多种肿瘤模型中显示协同效应，为临床转化提供了临床前证据。 未来临床应用潜力与展望 这项基础研究的发现，为肿瘤免疫治疗带来了极具潜力的转化前景： 新型免疫治疗联合策略： GSR 抑制剂有望成为免疫检查点阻断的增效剂，将“冷肿瘤”转化为“热肿瘤”，扩大免疫治疗受益人群。 代谢标志物指导的精准治疗： GSR 表达水平或 GSH/GSSG 比值，有望成为预测免疫治疗响应的新型生物标志物。 铁死亡/铜死亡诱导剂的优化： 基于 GSR 缺失增强免疫原性的机制，未来可开发靶向 GSH/GSR 轴的小分子药物，与铁死亡或铜死亡诱导剂联合使用。 跨瘤种应用： GSR 在多种肿瘤中高表达，其抑制策略可能具有广谱抗肿瘤免疫激活潜力。 总之，本研究不仅深刻改变了我们对代谢应激如何调控抗肿瘤免疫的认知，更架起了一座从基础代谢研究通往临床免疫治疗改进的桥梁。 ABclonal 助力产品 ABclonal 为关键因子 AIM3、IRF3、p-IRF3、TBK1、cGAS、STING、p-STING 等关键研究因子提供助力，期望未来能有更多依托 ABclonal 优质产品及技术支持的研究，在肿瘤代谢与免疫治疗领域收获更为丰富的成果。 ABclonal重组单抗专项支持计划 一、ABclonal超级单抗敢于与全球质量最佳抗体正面PK 我们不惧对比，因为我们用数据说话，只为让您用上真正世界一流的抗体工具 更清晰的数据图：经KO验证特异性高，因此信噪比更高，背景更干净  更强的信号：亲和力高，低丰度蛋白也能轻松检出 更稳的表现：重组工艺，批次间一致性高，保证了您每一次实验结果的可重复性； 更高的性价比：多物种多应用，令人惊叹的稀释比，极致节省成本； 二、“超级单抗，真好用”是客户的真实感受 一次就成功，才是真好用, 结果可复现，才是真好用, 性价比超高，才是真好用, 数据可发表，才是真好用, 选择ABclonal超级单抗，让它们成为你实验的定心丸，从容应对科研路上的每一次挑战。 END ABclonal 公司简介 爱博泰克生物科技有限公司（简称：爱博泰克，ABclonal）成立于2011年，作为生命科学解决方案的提供商，旨在为全球生命科学工作者提供更好的产品与服务。公司主营业务包括抗体和分子酶试剂、生命科学仪器、药物发现CRO服务等，服务用户涵盖生命科学基础研究、转化研究、生物医药、精准医疗、体外诊断等多个领域。 ABclonal总部位于中国武汉，现有波士顿研发中心、上海诊断与科研分子酶研发中心以及武汉光谷诊断与免疫研发和生产中心。ABclonal业务遍布全球，在美国波士顿、德国、北京、天津、济南、西安、上海、武汉、南京、杭州、合肥、长沙、成都、重庆、广州和厦门建立直销团队，签约代理商近100家，覆盖全球40多个国家与地区。在过去的10年中，全球有超过100,000客户选择ABclonal。

近日，《园艺学报》在中国知网（CNKI）优先发表了浙江农林大学园艺学院十字花科团队联合中国农业科学院蔬菜花卉研究所题为“十字花科蔬菜硫代葡萄糖苷研究进展”的综述。 原文下载：十字花科蔬菜硫代葡萄糖苷研究进展.pdf 摘  要 摘 要：硫代葡萄糖苷（glucosinolates，GSLs）是十字花科植物特有的含硫次生代谢物，主要分为脂肪族、芳香族和吲哚族三类。其生物合成起始于氨基酸前体，经核心结构构建与侧链修饰完成，整个过程受MYB、bHLH等转录因子调控。GSLs在黑芥子酶作用下水解为异硫氰酸酯、腈类等活性化合物，这些水解产物具有抗癌、抗菌、抗虫等生物学功能。脂肪族GSLs水解产物（如萝卜硫素）具有显著抗氧化和抗癌活性，而吲哚族GSLs则更多参与植物防御与激素调控。该代谢过程受遗传背景、环境因素（如光照、温度）及植物激素（如茉莉酸、乙烯）等多种因素影响。近年来，通过基因编辑、代谢工程及人工智能辅助设计，可实现对硫苷含量与组分的精准调控，推动其在功能食品与医药领域的应用发展。本文系统综述了硫苷代谢、影响因子、代谢工程及产业发展等方面的研究进展，以期为硫苷的相关研究及产业应用提供参考。 关键词：十字花科蔬菜；硫代葡萄糖苷；黑芥子酶；转录调控；代谢工程；萝卜硫素；功能食品 正  文 硫代葡萄糖苷（glucosinolates，GSLs，简称硫苷）是一类结构多样、富含硫元素的次生代谢产物，由氨基酸衍生而来。根据其氨基酸前体的不同，可分为脂肪族、芳香族和吲哚族3种类型（表1）。脂肪族GSL不仅主导食用品质与营养健康效应，还对特定昆虫起防御功能；吲哚族GSL调控多层次的生物胁迫响应，在抗病和系统性免疫激活中起核心作用；芳香族GSL则提供局部化、特异性的化学防御补充。迄今为止，已在16种双子叶被子植物中鉴定出约130种硫代葡萄糖苷（Barco & Clay，2019；Blažević et al.，2020）。 表1  常见硫苷（GSLs）的分类及其名称 几乎所有的十字花科植物都含有GSL，其种类丰富，广泛分布于种子、根、茎、叶中（田艳 等，2020）。萝卜（Raphanus sativus）的种子和根部含有支链氨基酸异亮氨酸来源的1–甲基丙基硫苷（glucocochlearin），在中国大白菜（Brassica rapa spp. pekinensis）、羽衣甘蓝（Brassica oleracea var. acephala）、芥菜（Brassica juncea）等作物中也有检出（Agerbirk et al.，2021）。此外，萝卜根部还能检测到微量吲哚族GSL，如4–羟基吲哚–3–甲基硫苷（4-hydroxyglucobrassicin），这些成分参与对病原菌和植食性昆虫的防御反应（Yi et al.，2016a）。芝麻菜（Eruca sativa）叶片中富集了高浓度的芝麻菜苷（glucoerucin）（Hwang et al.，2019；Jaafar & Jaafar，2019；Sivapalan et al.，2018）。在芥菜类作物中，如芥菜（Brassica juncea）、黑芥（Brassica nigra）和白芥（Sinapis alba），种子中同时存在脂肪族、芳香族和吲哚族GSLs（Augustine & Bisht，2015a）。其中白芥种子富含由酪氨酸衍生的芥子苷（sinalbin），其结构含有酚基，水解后产生无毒且具抗氧化性的副产物，这与其他产毒型GSL有所不同（Augustine & Bisht，2015b；Borpatragohain et al.，2019），使其在功能性食品开发中更具优势。更广泛的比较分析还发现，一些野生十字花科植物，如山葵（Eutrema japonicum）和其他近缘种，能够合成侧链更长的GSLs（碳链长度达C6 ~ C11），显示出更强的化学多样性（Uchida et al.，2012；Blažević et al.，2020）。总体来看，GSLs在十字花科作物中的分布呈现出明显的物种和组织特异性：脂肪族GSL多集中于种子和营养器官，参与对抗专食性害虫；芳香族和吲哚族GSL则广泛分布于根、茎、叶中，响应生物与非生物胁迫。 硫代葡萄糖苷及其水解产物不仅在植物生长发育和抗逆调控过程中发挥关键作用，还在食品风味、营养价值及人类健康方面具有重要意义。通过代谢工程手段调控硫苷的合成与分布，有助于开发具有更高农业价值和健康效益的多功能园艺作物。本文将从生物合成、分解代谢、影响因素、代谢工程及产业应用等方面系统综述硫苷的研究进展。 1  硫苷的生物合成途径 1.1  前体物质生成 硫苷生物合成的前体物质决定了其基本类型和功能特性。前体物质的生成主要涉及氨基酸的选择与转化，这些氨基酸主要包括甲硫氨酸（methionine，Met）、色氨酸（tryptophan，Trp）和苯丙氨酸（phenylalanine，Phe），分别对应脂肪族硫苷、吲哚族硫苷和芳香族硫苷的合成（Matthäus & Luftmann，2000；Wu et al.，2021）。此外，亮氨酸（Leucine，Leu）、异亮氨酸（Isoleucine，Ile）和高苯丙氨酸（Homophenylalanine，homoPhe）也可作为硫苷的前体（Blažević et al.，2020），生成如2–甲基丙基硫苷（2-Methylpropyl GSL）、1–甲基丙基硫苷（glucocochlearin）和2–苯乙基硫苷（gluconasturtiin）等特殊类型的硫苷（Underhill & Kirkland，1972；Agerbirk et al.，2021）。 脂肪族硫苷主要来源于甲硫氨酸（Met），其前体生成过程涉及一系列链延长反应，在甲硫氨酸延长酶（methylthioalkylmalate synthases，MAMs）和支链氨基转移酶（branched-chain aminotransferase，BCAT）的催化下进行（Sønderby et al.，2010）。MAM1是最早被鉴定的MAM家族成员，负责催化Met的第一次链延长，生成高甲硫氨酸（homoMet）和二氢甲硫氨酸（dihomoMet）（Kroymann et al.，2001；Textor et al.，2007）。随后，MAM3和MAM4进一步催化更长碳链的延伸，生成具有更长碳链的2–酮酸中间体，如己烯基和庚烯基等（Field et al.，2004；Textor et al.，2007；Harun et al.，2020）。这些不同碳链长度的2–酮酸决定了脂肪族硫苷侧链的结构多样性。链延长完成后，这些中间产物通过BAT5转运蛋白从叶绿体转运至细胞质，在细胞质中由BCAT4和BCAT6催化进行转氨作用，最终生成相应的氨基酸前体，进入硫苷核心结构的合成阶段（Schuster et al.，2006；Sawada et al.，2009；Lächler et al.，2015）。目前已知的大多数硫苷都属于Met来源的脂肪族硫苷（Blažević et al.，2020）。 与脂肪族硫苷不同，吲哚族硫苷来源于色氨酸（Trp）。色氨酸在细胞色素P450家族中的CYP79B2和CYP79B3（cytochrome P450 79B2，B3）催化下转化为吲哚–3–乙醛肟（IAOx）。IAOx不仅是吲哚族硫苷合成的前体，还可以进一步转化为吲哚–3–乙腈（IAN），或进入植物内源激素吲哚乙酸（IAA）的合成路径（Zhao et al.，2002；Klein & Papenbrock，2009；Mitreiter & Gigolashvili，2021）。此外，IAOx也是植保素（camalexin）的前体之一。IAOx代谢节点在植物生长调控和抗病性中具有重要作用（Plaszkó et al.，2022），因此，Trp来源的前体生成不仅与硫苷的合成密切相关，还参与了植物的多重生理调控网络。 芳香族硫苷则主要来源于苯丙氨酸（Phe）。在MAMs的参与下，苯丙氨酸转化为苯乙基硫代葡萄糖苷（phenethyl GSL）。MAM1能够催化苯丙氨酸发生链延长反应，生成高苯丙氨酸（homoPhe）（Kliebenstein et al.，2001b；Textor et al.，2004；Sønderby et al.，2010）。这一路径与脂肪族硫苷的合成在酶促反应层面具有一定的相似性，但前体来源和最终产物的化学结构有所不同，反映出硫苷代谢路径的复杂性和多样性（Agerbirk et al.，2021）。 综上所述，尽管不同类别的硫苷前体生成源于不同的氨基酸，但在代谢途径中表现出一定的酶学共性，尤其体现在MAM家族在链延长反应中的作用。这些代谢过程不仅决定了硫苷的化学多样性，也与植物的生长发育、抗逆性和抗病机制密切相关。 滑动查看本节内容 1.2  核心合成步骤 硫苷的生物合成途径中，核心结构的合成是整个过程的中心环节，涉及一系列酶促反应，最终形成脱硫硫苷（desulfoglucosinolates），再经硫酸化生成成熟的硫苷。 在脂肪族硫苷的合成中，链延长后的同型甲硫氨酸首先由细胞色素P450酶（cytochrome P450 enzymes）中的CYP79F1和CYP79F2催化，生成相应的醛肟化合物。如二氢甲硫氨酸或三氢甲硫氨酸在CYP79F1和CYP79F2的催化下生成5–甲硫基戊醛肟和6–甲硫基己醛肟（Reintanz et al.，2001；Tantikanjana et al.，2004）。CYP79C1和CYP79C2也可参与醛肟的生成，其中CYP79C2主要作用于亮氨酸和苯丙氨酸，对异亮氨酸、色氨酸和酪氨酸也有较低活性，而CYP79C1则作用于亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸（Wang et al.，2020）。醛肟化合物在细胞色素P450酶（如CYP83A1或CYP83B1）的催化下被进一步代谢，进入谷胱甘肽（glutathione，GSH）结合步骤（Naur et al.，2003；Liu et al.，2016b）。该反应由谷胱甘肽S–转移酶（glutathione s-transferase，GSTs）催化，形成GSH结合物。在拟南芥中，GSTF9和GSTF10参与这一过程（Wentzell et al.，2007；Horváth et al.，2015）。随后，GSH结合物由γ–谷氨酰肽酶（γ-glutamyl peptidase 1，GGP1和γ-glutamyl peptidase 3，GGP3）催化，生成Cys-Gly结合物。这一步骤去除了GSH中的γ–谷氨酰基团，为后续反应做准备（Geu-Flores et al.，2011；Malka & Cheng，2017）。接下来，S–烷基硫代羟肟酸（S-alkylthiohydroximate）在S–烷基硫代羟肟酸裂解酶（SUPERROOT1，SUR1）的催化下转化为硫代羟肟酸（thiohydroximate）。硫代羟肟酸是脂肪族和吲哚族硫苷合成路径中的共同中间体（Mikkelsen et al.，2004；Grubb et al.，2014）。硫代羟肟酸由磺基转移酶（sulfotransferase，SOT）（如AtSOT16、AtSOT17、AtSOT18）催化，发生硫酸化反应，生成脂肪族硫苷（Lorenzo et al.，2004；Klein & Papenbrock，2009）。 在吲哚族硫苷的合成中，核心结构的形成起始于色氨酸（tryptophan）的转化。色氨酸首先被CYP79B2和CYP79B3催化生成吲哚–3–乙醛肟（IAOx）（Mikkelsen et al.，2000；Zhao et al.，2002；Mostafa et al.，2017）。随后，该醛肟化合物由CYP83B1催化转化为腈氧化物中间体，并由GSTF9和GSTF10催化与GSH结合，形成GSH结合物（Bak et al.，2001；Bak & Feyereisen，2001；Wentzell et al.，2007；Horváth et al.，2015）。再由γ–谷氨酰肽酶GGP1和GGP3催化，生成Cys-Gly结合物（Geu-Flores et al.，2011；Malka & Cheng，2017）。之后，S–烷基硫代羟肟酸在SUR1的催化作用下转化为硫代羟肟酸，再由磺基转移酶SOT16催化硫酸化反应，生成脱硫硫苷的硫酸化形式，完成吲哚族硫苷核心结构的合成（Mikkelsen et al.，2004；Grubb et al.，2014）。 在芳香族硫苷的合成中，苯甲基硫代葡萄糖苷（benzyl GSL）的合成不涉及链延长步骤。整个过程起始于苯丙氨酸（Phe），首先在细胞色素P450家族中的CYP79A2、CYP79C1和CYP79C2催化下，苯丙氨酸转化为苯乙醛肟（phenylacetaldehyde oxime）（Wittstock & Halkier，2000；Wang et al.，2020，2021）。随后，苯乙醛肟在CYP83B1的催化作用下进一步氧化，生成硫苷核心结构形成的关键中间体——硫代羟肟酸（thiohydroximate）（Naur et al.，2003；Kittipol et al.，2019）。硫代羟肟酸与GSH结合生成S–烷基硫代羟肟酸，再由SUR催化裂解为腈氧化物（nitrile oxide）（Mikkelsen et al.，2004）。最后，由UDP–葡萄糖基转移酶（UGT74C1）催化，形成苯甲基硫代葡萄糖苷（Liu et al.，2020）。 苯乙基硫代葡萄糖苷（phenethyl GSL）的合成经过一次链延长步骤，产物化学结构比苯丙氨酸多一个CH2基团，即高苯丙氨酸（homoPhe）（Shang et al.，2022）。高苯丙氨酸在CYP79B2的作用下转化为苯乙基肟（phenethyl oxime），并依次经过CYP83B1、SUR和UGT74C1等酶的催化，完成硫苷核心结构的合成，生成苯乙基硫代葡萄糖苷（Mikkelsen et al.，2000；Naur et al.，2003；Mikkelsen et al.，2004；Wang et al.，2021）。 滑动查看本节内容 1.3  侧链修饰与多样性产生 在脂肪族硫苷的侧链修饰中，甲硫氨酸延长酶MAM1和MAM3控制侧链碳链的延伸长度，决定硫苷的种类（如丙烯基、丁烯基等）。在拟南芥中，黄素单加氧酶FMOGS-OX1至FMOGS-OX4（flavin-containing monooxygenase）将甲硫基烷基硫苷（methylthioalkyl GSLs）转化为甲亚磺酰基烷基硫苷（methylsulfinylalkyl GSLs），该反应不依赖于碳链长度；而FMOGS-OX5则主要作用于长链的8–甲硫基辛基硫苷，生成8–甲基亚磺酰辛基硫苷（Li et al.，2008，2021b）。随后，2–氧戊二酸依赖性双加氧酶（2-oxoglutarate-dependent dioxygenase，AOP2）催化脂肪族硫苷的去饱和反应，将甲亚磺酰基硫苷转化为烯基硫苷（alkenyl GSLs）和羟基烷基硫苷（hydroxyalkyl GSLs）（Kliebenstein et al.，2001b；Zhang et al.，2015）。接着，烯基硫苷在GSL-OH酶的作用下发生羟基化反应，生成羟基烯基硫苷（OH-GSLs），随后羟基烯基硫苷与芥子酸或苯甲酸发生酯化反应，生成芥子酰化硫苷（SnGSLs）和苯甲酰化硫苷（BzGSLs），该反应由类丝氨酸羧肽酶酰基转移酶17（serine carboxypeptidase-like 17，SCPL17）催化完成（Lee et al.，2012）。 在吲哚族硫苷的修饰过程中，主要发生羟基化和甲氧基化反应（Mitreiter & Gigolashvili，2021）。吲哚族硫苷的核心结构——吲哚–3–甲基硫苷（indol-3-yl-methyl glucosinolate），首先在细胞色素P450单加氧酶CYP81Fs的催化下发生羟基化反应，生成4–羟基吲哚–3–甲基硫苷（4-hydroxy-indol-3-yl-methyl GSL）和（或）1–羟基吲哚–3–甲基硫苷（1-hydroxy-indol-3-yl-methyl GSL）中间产物。随后，上述两种羟基化产物在吲哚硫苷甲基转移酶1和2（indole glucosinolate methyltransferase，IGMT1和IGMT2）的催化下进行甲氧基化反应，分别生成4–甲氧基吲哚–3–甲基硫苷（4-methoxy-indol-3-yl-methyl GSL）和1–甲氧基吲哚–3–甲基硫苷（1-methoxy-indol-3-yl-methyl GSL）（Pfalz et al.，2009，2011；Tao et al.，2022）。 这些侧链修饰步骤不仅显著增加了硫苷的化学多样性，还可能影响其生物活性及在植物抗逆和防御机制中的作用。 滑动查看本节内容 1.4  硫苷的运输与积累 硫苷在植物体内的运输与积累具有独特的时空分布模式（Jørgensen et al.，2015）。完整的硫苷分子合成后，被转运到邻近的富含硫的特化细胞（S细胞）中储存，同时也在远离合成部位的特定组织和器官中积累（Schuster et al.，2006；Jørgensen et al.，2015）。近年来，拟南芥中硫苷转运蛋白（glucosinolate transporters，GTRs）的鉴定和研究，为阐明硫苷在植物生长发育过程中的保留、动员和分配机制提供了新依据（Burow & Halkier，2017；Xu et al.，2019；Hunziker et al.，2021）。 GTR蛋白属于硝酸盐转运蛋白1/肽转运蛋白（NRT1/PTR）家族，也称为NPF家族，广泛存在于多种植物中（Nour-Eldin et al.，2012）。在拟南芥中，GTR1（AtNPF2.10）和GTR2（AtNPF2.11）是最早被鉴定的硫苷转运蛋白。二者在器官间转运（如种子装载）以及甲硫氨酸（Met）衍生的脂肪族和吲哚族硫苷在器官和组织内的保留和分配中发挥重要作用，基于共质体或质外体途径进行调控（Andersen et al.，2013；Andersen & Halkier，2014；Madsen et al.，2014；Xu et al.，2016；Nintemann et al.，2018；Xu et al.，2019；Hunziker et al.，2021）。与二者不同，GTR3（AtNPF2.9）在拟南芥中对吲哚族硫苷表现出强烈的偏好性（Jørgensen et al.，2017）。GTR3能够将吲哚族硫苷保留在根部，并与GTR1和GTR2一起参与种子装载（Nour-Eldin et al.，2012）、根系分泌（Xu et al.，2016）、叶片内分布（Madsen et al.，2014）、茎部S细胞的转运储存（Xu et al.，2019），以及吲哚族硫苷在根、茎、叶和花梗之间的转运（Andersen et al.，2013；Andersen & Halkier，2014；Jørgensen et al.，2015；Xu et al.，2019；Hunziker et al.，2021）。总之，GTR1和GTR2主要在韧皮部表达，介导GSLs从源器官向库器官的长距离运输，而GTR3则在成熟叶片和种子中高表达，影响次生代谢物积累（Nour-Eldin et al.，2012）。 通常多种氨基酸进出转运蛋白（usually multiple amino acids move in and out transporter，UMAMIT）是另一类关键的硫苷转运蛋白（Xu et al.，2023）。在拟南芥中，UMAMIT家族的转运蛋白UMAMIT29、UMAMIT30和UMAMIT31定位于质膜，作为单向转运体，介导硫苷从细胞内向质外体的被动外排（Müller et al.，2015；Zhao et al.，2021a）。这一过程依赖于跨膜电化学梯度，尤其在酸性环境（如pH 5.5的质外体）中活性更强，且不依赖质子共转运。三者功能互补：UMAMIT29在珠柄组织中高表达，是调控硫苷向种子转运的核心成员；UMAMIT30底物特异性较广，在UMAMIT29缺失时发挥补偿作用；UMAMIT31偏好转运吲哚族硫苷（Xu et al.，2023）。UMAMIT29在生殖器官的珠柄、珠被及合点种皮等组织中表达，介导母体合成细胞中的硫苷排出至胞外，使其进入韧皮部伴胞附近的空间，后续由GTR家族转运蛋白摄入韧皮部进行长距离运输；此外，在种子合点种皮区域，UMAMIT29再次将硫苷排出母体组织，为硫苷最终进入胚体创造条件（Sanden et al.，2024）。UMAMIT家族与GTR家族转运蛋白协同作用，推动硫苷跨越多个质膜屏障，构成一个由“外排—内吸”交替组成的级联转运模型，确保母源合成的防御物质高效、定向地运入胚胎并完成积累。UMAMIT外转运蛋白可作为生物工程改造的分子靶点，在不改变相关代谢物在整个植物中分布的情况下提高油料作物种子的营养价值（Xu et al.，2023）。 除GTRs和UMAMITs外，硫苷生物合成基因的表达模式在硫苷的时空分布中同样具有关键作用。已有大量研究表明，多个硫苷合成相关基因的动态表达对硫苷表型具有显著影响（Mikkelsen et al.，2000；Reintanz et al.，2001；Chen et al.，2003；Redovniković et al.，2012；Grubb et al.，2014；Kong et al.，2016）。MAM1与MAM3（参与甲硫氨酸链延长的关键基因）在拟南芥发育过程中表现出相似的表达趋势，但在不同组织中的表达水平存在显著差异。MAM1的表达水平显著高于MAM3，导致其对应的短链硫苷浓度也更高，表明MAM1在调控硫苷合成中起主导作用（Redovniković et al.，2012）。类似的现象也见于FMOGS-OX6与FMOGS-OX7的研究中，二者虽功能相似，但在组织特异性表达上存在差异，从而影响硫苷的结构多样性（Li et al.，2021b）。此外，转录因子在调控硫苷时空分布中也具有重要作用。例如，在拟南芥和甘蓝型油菜中，MYB28的同源基因可调控硫苷在叶片与种子组织间的特异性积累，即促进叶片中的积累而抑制种子中的积累（Sønderby et al.，2010；Liu et al.，2020）。 因此，硫苷表型的形成至少由生物合成基因的表达和UMAMIT-GTR级联转运系统共同决定（Tan et al.，2022；Sanden et al.，2024），在工程改造中应考虑二者的协同效应。通过对GTRs、生物合成基因和转录因子的分子修饰，以及对未知硫苷外排蛋白的利用，有望实现特定组织和器官中硫苷时空分布的定向调控。 滑动查看本节内容 1.5  转录因子调控网络 硫苷的合成与积累受到多个层级转录因子的精细调控。MYB类转录因子是硫苷生物合成调控网络中的核心直接调控因子，处于转录调控网络的第一层级。MYB28、MYB29和MYB76正调控脂肪族硫苷的合成（Frerigmann & Gigolashvili，2014a），而MYB34、MYB51和MYB122则主要调控吲哚族硫苷的合成（Hull et al.，2000；Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。研究表明，MYB28过表达可显著提高脂肪族硫苷的含量，其缺失突变体则表现出脂肪族硫苷合成受阻（Hirai，2009）。在芥蓝MYB28过表达植株中，硫苷合成关键基因MAM1、MAM3、CYP79F1、CYP79F2、CYP83A1、ST5B和ST5C的表达均显著上调，从而调控脂肪族硫苷的合成（Yin et al.，2017）。此外，MYB51和MYB122在色氨酸衍生的吲哚族硫苷合成中起协同调控作用，通过激活CYP79B2、CYP79B3和CYP83B1等关键酶基因的表达，促进吲哚族硫苷的积累（Bender & Fink，1998；Hull et al.，2000）。 除MYB类转录因子外，bHLH（basic helix-loop-helix）和WRKY类转录因子也参与硫苷合成的调控（王军伟 等，2019）。bHLH转录因子（如MYC2、MYC3、MYC4）在十字花科植物吲哚族硫苷的合成过程中，通过与MYB类转录因子组成蛋白复合体发挥调控功能（Zimmermann et al.，2004；Gigolashvili et al.，2007a）。例如，bHLH002（也称为IAA-ALANINE RESISTANT 3，IAR3）在脂肪族硫苷的侧链修饰过程中发挥作用，调控AOP2基因的表达，从而影响烯基硫苷的生成。WRKY33在胁迫诱导的硫苷合成中发挥调节作用，特别是在茉莉酸（jasmonic acid，JA）信号通路介导的应激反应中，WRKY33通过调控多个硫苷合成相关基因的表达增强植物的抗逆性（Liu et al.，2022）。 此外，光敏因子HY5（ELONGATED HYPOCOTYL 5）在硫苷合成调控网络中也具有重要作用。研究发现，HY5能够抑制脂肪族硫苷合成，促进吲哚族硫苷合成，表明其对硫苷代谢具有双向调控作用。该调控模式可能与HY5对MYB类转录因子的间接调控有关，从而影响硫苷的种类分布和总量（Huseby et al.，2013）。 第二层级由多个信号传导模块构成，通过解码特定信号，直接进行蛋白质互作或转录调控，从而调节MYB等硫苷合成相关转录因子活性。茉莉酸-异亮氨酸（Jasmonic Acid-Isoleucine，JA-Ile）是茉莉酸信号通路的活性形式（Li et al.，2021a）。JAZ蛋白（jasmonate ZIM–domain proteins）是一类在植物中发挥重要作用的转录抑制因子，是茉莉酸信号转导途径中E3泛素连接酶SCFCOI1的靶标（Thines et al.，2007；Yan et al.，2007）。JAZ蛋白的新互作因子（novel interactor of JAZ，NINJA）通过连接JAZ抑制蛋白与Groucho/Tup1型共抑制子TOPLESS（TPL），形成JAZ-NINJA-TPL共抑制复合物，介导茉莉酸信号通路响应基因的表达（Pauwels et al.，2010；Zhou et al.，2023）。在无茉莉酸刺激时，该复合物通过招募TPL到MYC转录因子所在位点，抑制茉莉酸响应基因的表达，防止过度激活（Pauwels et al.，2010）；当植物感知到损伤时，茉莉酸信号被迅速激活，JA-Ile大量合成，JAZ被SCFCOI1复合体降解（Sheard et al.，2010；Zhou et al.，2013），NINJA-TPL抑制复合体随之解离，MYB28和MYB29等转录因子被释放并激活，启动硫苷等防御物质的合成（Schweizer et al.，2013；Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。 油菜素甾醇（brassinosteroid，BR）是促进生长的激素（Esposito et al.，2011）。其信号下游的转录因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）及其同源蛋白BES1（BRI1 EMS SUPPRESSOR 1）在BR存在时去磷酸化，使BZR1和BES1得以稳定并积累，并易位至细胞核，执行转录调控功能（Li & Chory，1997；Wang et al.，2002；He et al.，2005；Tang et al.，2011；Zhu et al.，2013）。当条件利于生长时，BR通过BZR1抑制MYB51的转录，减少GSL的积累；受到胁迫时，BR信号减弱，促进GSL合成（Yin et al.，2005；Wang et al.，2023）。同时，BR还能直接激活编码初级硫代谢限速酶APR（adenosine 5′-phosphosulfate reductase）的基因APR1和APR2的转录，促进半胱氨酸（Cys）和谷胱甘肽（GSH）等初级硫代谢产物的合成，使植物优先将硫资源用于初级代谢，提升硫源利用效率（Fu et al.，2018）。 在拟南芥的硫信号传导中，当处于硫缺乏条件时，植株会优先将硫分配给生命活动必需的分子（如Cys和GSH），减少非必需含硫次生代谢物（如硫苷）的合成。这一调控过程的核心是转录因子SLIM1/EIL3（SULFUR LIMITATION 1/ETHYLENE-INSENSITIVE3-LIKE 3）（Maruyama-Nakashita et al.，2006）。在硫缺乏时，SLIM1/EIL3抑制GSL合成通路中MAM1、CYP79B2和CYP79B3等关键基因的表达（Maruyama-Nakashita et al.，2006）。进一步研究表明，SLIM1通过激活下游OAS基因簇（OAS cluster genes）中的SDI1和SDI2，进一步抑制GSL的合成（Hubberten et al.，2012）。SDI1和SDI2在硫缺乏时被强烈诱导表达，其编码蛋白能够直接结合MYB28的启动子并抑制其活性，从而在转录层面全局下调脂肪族硫苷的合成（Aarabi et al.，2016）。 此外，IQ67结构域（IQ67-Domain，IQD)家族蛋白作为支架蛋白，可能将特定的MYB转录因子和钙信号传感器等锚定在细胞骨架上，参与硫苷合成与运输的空间组织（Levy et al.，2005）。多个研究表明，硫苷合成相关基因往往以共表达模块的形式存在。例如，在拟南芥中，脂肪族硫苷合成基因（如CYP79F1、CYP83A1、FMOGS-OX和AOP2）与MYB28和MYB29等转录因子形成高度相关的共表达网络；吲哚族硫苷合成基因（如CYP79B2、CYP79B3、CYP83B1和UGT74B1）则与MYB51和MYB122等形成另一类共表达模块。这些共表达网络表明，硫苷合成过程中的转录调控具有高度协同性和模块化特征，不同模块可能响应不同的环境信号或生理状态，从而实现硫苷代谢的精细调控（Huseby et al.，2013）。 综上所述，硫苷的生物合成途径受到多种转录因子的协同调控，并形成复杂的共表达网络，该调控机制不仅确保了硫苷合成的高效性和特异性，也为植物适应不同环境胁迫提供了灵活的代谢响应能力（Huseby et al.，2013；Liu et al.，2022）。 图1  硫苷的水解代谢途径及其在植物防御与信号转导中的生物学功能 滑动查看本节内容 2  硫苷的分解代谢 2.1  黑芥子酶（Myrosinase）的作用 硫苷的核心分解代谢途径是由黑芥子酶催化，多种指定蛋白（specifier proteins）调控的复杂生化反应（Lüthy & Matile，1984）。黑芥子酶是一种特异性的β–硫葡糖苷酶，其作用机制本质上是植物在长期进化中形成的“区室化隔离—损伤激活”防御策略。在完整植物组织中，硫苷主要储存于薄壁细胞或特化硫苷细胞（myrosin cells）的液泡内，黑芥子酶则定位于相邻的蛋白储存液泡（protein storage vacuoles，PSVs）或黑芥子酶细胞中，二者物理隔离以避免自发水解。这一隔离状态的稳定性在分子层面依赖于MVP1（myrosinase-associated protein 1）等黑芥子酶伴随蛋白，这些蛋白作为液泡膜质子泵主动维持储存腔的酸性环境，从而确保黑芥子酶在未激活时处于化学失活状态（Agee et al.，2009）。当植物遭受机械损伤（如草食动物咀嚼）或人为加工（如切割、干燥）时，细胞破裂导致硫苷与黑芥子酶接触，触发高度特异性的酶促水解反应：黑芥子酶精准裂解硫苷分子中的硫–葡萄糖苷键（S-glucosidic bond），生成D–葡萄糖和极不稳定的中间体硫代羟肟酸–O–硫酸盐（thiohydroximate-O-sulfonate）（Fenwick et al.，1983；Wallace & Eigenbrode，2002）。 该中间体通过自发的Lossen重排分解，最终产物类型受环境pH、二价铁离子（Fe2+）浓度及辅助蛋白的精密调控（Burow et al.，2006）。在中性或碱性条件下、或在缺乏游离Fe2+时，中间体主要发生自发重排，生成具有强生物活性的异硫氰酸酯（isothiocyanates，ITCs），如青花菜中的萝卜硫素（sulforaphane）（Sarıkamış，2009；Mahn et al.，2022）。异硫氰酸酯对微生物、线虫和昆虫等多种生物体具有毒性，因此长期以来被认为是硫苷—黑芥子酶系统直接防御功能的主要来源（Wittstock et al.，2004）。在酸性且存在Fe2+的环境中，或在表硫芥子蛋白（epithiospecifier protein，ESP）存在时，若底物为含末端烯基的硫苷（如烯丙基硫苷），则主要形成环硫腈；若底物为其他结构的硫苷（如苄基硫苷），则主要形成简单腈类。ESP的活性受其同源蛋白ESM1（epithiospecifier modifier 1）的调节，ESM1在花等特定组织中作为内源性抑制剂发挥作用，从而实现了防御产物谱的空间特异性精细调控（Burow et al.，2008）。此外，对于含苄基的硫苷（如金莲葡萄硫苷，Glucotropaeolin），硫氰酸形成蛋白（thiocyanate-forming protein，TFP）可引导反应生成硫氰酸酯（thiocyanates）（Burow et al.，2009）。黑芥子酶与这些辅助蛋白的协同作用，使植物能够根据防御需求动态调整产物谱。例如，异硫氰酸酯具有强效驱虫与抗癌活性，腈类则可能参与胁迫信号传递或减少对植物自身的细胞毒性（Hanschen et al.，2014）。 在拟南芥中，已鉴定出6个属于β–硫葡萄糖苷酶家族（TGGs）的黑芥子酶编码基因。其中TGG1和TGG2在地上部分发挥作用，TGG4和TGG5则主要在根部表达。TGG3和TGG6为假基因，不能编码有功能的黑芥子酶（Zhang et al.，2002；Wang et al.，2009）。此外，PEN2基因编码一种非典型的黑芥子酶——β–葡萄糖苷酶26（β-glucosidase 26），主要参与吲哚–3–甲基硫苷（glucobrassicin）及其衍生物4–甲氧基–吲哚–3–甲基硫苷（4-methoxyglucobrassicin）的水解，在植物先天免疫反应中发挥重要作用（Bednarek et al.，2009）。 近年研究发现，黑芥子酶家族成员（如拟南芥中的BGLU28和BGLU30）在硫胁迫条件下还参与硫元素的逆向循环。在硫匮乏时，上述β–葡萄糖苷酶可水解4–甲基亚磺酰丁基硫苷（4MSOB），生成萝卜硫素（SFN）。SFN与谷胱甘肽（GSH）结合形成SFN-GSH缀合物，经逐步裂解生成4MSB-NH₂和萝卜氨酸（raphanusamic acid，RA），最终由5–氧脯氨酸酶（5-oxoprolinase 1，OXP1）催化RA开环，转化为半胱氨酸前体，实现硫元素从次级代谢产物向初级代谢的再分配（Sugiyama et al.，2021）。这一途径在bglu28 bglu30双突变体中显著受阻，导致突变体在缺硫环境下生长严重受抑制，证实了黑芥子酶在硫循环中的关键作用（Maruyama-Nakashita，2017）。 在特定胁迫条件下，硫苷的分解代谢产物也表现出不同功能。例如，在重金属胁迫下，硫苷的水解产物可能作为抗氧化剂或金属螯合剂，缓解毒性。研究表明，在铜（Cu2+）胁迫下，白菜（Brassica rapa）叶片和根中硫苷含量显著增加，其代谢产物可能通过螯合金属离子增强植物的耐受性（Shahbaz et al.，2014）。类似地，在铅（Pb）胁迫下，硫苷的代谢调控与植物体内硫醇配体的调节有关，从而增强植物对重金属的解毒能力（Akram et al.，2021）。 此外，植物激素如茉莉酸（jasmonic acid，JA）、水杨酸（salicylic acid，SA）和乙烯（ethylene，ET），也参与调控硫苷的分解代谢。盐胁迫可通过JA信号通路诱导硫苷的积累和分解代谢，从而增强植物的抗逆性（Liu et al.，2022）。在拟南芥中，硫苷转运蛋白GTR1的缺失突变体表现出硫苷分解代谢异常，表明硫苷的运输与降解过程密切相关（Zhang et al.，2022）。 综上，硫苷的核心分解代谢途径由黑芥子酶主导，并受到多种调控因子和环境胁迫的动态调节。这一代谢过程不仅影响植物的生理状态和抗逆能力，还对植物与环境的相互作用具有重要意义。 滑动查看本节内容 2.2  分解产物的生物学功能 硫苷分解产生多种水解产物（glucosinolate hydrolysis products，GHPs），主要包括异硫氰酸酯（isothiocyanates，ITCs）、腈类（nitriles）、硫氰酸酯（thiocyanates）以及在特定条件下生成的羟基腈（oxazolidine-2-thiones）（Wittstock & Halkier，2002；Wittstock. et al.，2016a），其类型和比例受酶种类、环境条件（如pH、金属离子）及调控蛋白的共同影响（Qin et al.，2023）。 异硫氰酸酯是硫苷水解的主要产物之一，广泛存在于十字花科植物中，具有显著的抗菌、抗虫和抗癌活性。研究表明，异硫氰酸酯能够抑制癌细胞生长并诱导其凋亡。例如，脂肪族硫苷GRA的水解产物萝卜硫素（sulforaphane）对A549肺癌细胞具有抑制作用（Wang et al.，2016），对2型糖尿病（T2DM）也显示出改善效果（Wang et al.，2022），还具有抗炎作用，尤其在肠道炎症中具有潜在治疗价值（Wei et al.，2022）。烯丙基异硫氰酸酯（allyl isothiocyanate）是山葵（Wasabia japonica）中的主要风味物质，具有强烈的辛辣味，同时具有抑制肥大细胞释放化学介质的能力，可能具有抗过敏作用（Yamada-Kato et al.，2012）。 腈类化合物（Nitriles）在植物与昆虫的相互作用中发挥关键作用（图1）。例如，表硫特异蛋白ESP在拟南芥中能够促进脂肪族硫苷水解为简单腈类（如苯乙腈），并影响昆虫（如粉纹夜蛾）的取食行为，表明此类腈类化合物在植物抗虫防御中具有重要作用（Lambrix，2001）。对于吲哚族硫苷，腈类特异蛋白（nitrile-specifier protein，NSP）参与调控硫苷水解产物的类型。在拟南芥中，NSP1、NSP2和NSP3分别在根、种子和幼苗等不同器官中起作用，说明腈类化合物的产生具有组织特异性，并可能影响植物在不同生长阶段的防御机制（Wittstock et al.，2016b）。 硫氰酸盐是另一类重要的硫苷水解产物，其生物学功能主要体现在对动物和人类健康的影响。研究表明，硫氰酸根离子（Thiocyanate anion）具有致甲状腺肿作用，可干扰碘的吸收，从而影响甲状腺功能（Lee & Kwon，2015）。该特性在畜牧业中尤为重要，因为部分十字花科作物作为饲料可能对动物健康产生负面影响。此外，硫氰酸盐的形成还与植物抗病性有关，例如，在菥蓂（Thlaspi arvense）和英菜（Lepidium sativum）中，硫氰酸盐形成蛋白（thiocyanate-forming protein，TFP）能够将特定硫苷转化为硫氰酸盐，从而增强植物对病原菌的抵抗力（Kuchernig et al.，2011）。 硫苷的水解产物在植物抗病性方面也具有重要的生物学功能。例如，苄基硫苷（glucotropaeolin）水解后可生成苯乙基硫氰酸盐，对抑制植物病原菌感染具有积极作用（Klein & Sattely，2017）。此外，GGP1和GGP3编码的γ-谷氨酰肽酶参与吲哚族硫苷与植物抗毒素（phytoalexins）之间的转化。在ggp1-1ggp3-1双突变体中，吲哚族硫苷含量增加，植保素（camalexin）含量减少，表明上述基因在硫苷与植物抗毒素之间的代谢平衡中具有重要作用（Liu et al.，2016a）。 6–甲基硫代己基异硫氰酸酯（6-Methylthiohexyl isothiocyanate）具有抑制小鼠肺部肿瘤发生的作用（Yano et al.，2000）。3–丁烯基硫苷（gluconapin）具有降低餐后甘油三酯水平的作用（Washida et al.，2010），表明其在营养和健康方面具有应用潜力。 在农业中，硫苷水解产物还在生物熏蒸（Biofumigation）中发挥重要作用。硫苷含量较高的植物，如油菜（Brassica napus）和白芥（Sinapis alba），其水解产物能够抑制土壤中的病原菌和害虫，从而减少农药使用，促进农业可持续发展（Lazzeri et al.，2010）。 综上所述，硫苷的水解产物在植物抗逆性、风味形成、动物健康及人类健康方面具有重要作用（图1）。从异硫氰酸酯的抗癌和抗炎作用，到腈类化合物的抗虫性，再到硫氰酸盐对甲状腺功能的影响，以及吲哚族硫苷水解产物在抗病性中的作用，这些产物不仅影响着植物的适应性和生存能力，也为农业和医药领域的应用提供了重要资源。通过调控硫苷分解代谢途径，可以定向改变水解产物的组成，从而开发具有特定功能的多功能作物，为食品多样化和农业可持续发展提供新策略。 滑动查看本节内容 3  硫苷代谢影响因素 3.1  遗传调控 硫苷合成基因的等位变异及其表达调控差异，是造成GSLs代谢谱种质差异的重要因素（Kattel & Antonious，2025；Soundararajan et al.，2021）。目前已鉴定出多种关键合成通路基因，如AOP2、FMOGS-OX1和BCAT4等（Halkier & Gershenzon，2006）。AOP2基因具有多态性，其功能缺失等位基因会阻止腈类生成，从而促进4–（甲亚砜基）丁基硫苷（glucoraphanin，GRA）的积累，该变异在青花菜和甘蓝等栽培种中较为常见（Gao et al.，2004；Zhang et al.，2015；Liu et al.，2017； Zheng et al.，2023）。例如，甘蓝中终止密码子提前导致BoAOP2.2和BoAOP2.3基因失去功能（Liu et al.，2014；Zhang et al.，2015；Liu et al.，2022）。此外，不同白菜品种中脂肪族GSLs代谢谱的差异与BrGSL-OH和BrAOP2-1的表达水平密切相关，上述基因可能在品种间的谱型分化中起重要作用（Wiesner et al.，2013）。FMOGS-OX1的表达水平直接影响萝卜硫素的含量，其编码区与启动子区域的天然变异是表达差异的潜在驱动因素（Zhao et al.，2021b）。脂肪族GSLs碳链结构的天然变异主要由MAM1的功能状态决定，而BCAT4则通过调控氨基酸前体的供应，影响整体硫苷合成通量（Kliebenstein et al.，2001a）。 GSLs结构基因的表达受上游调控网络的调节，其中R2R3-MYB类转录因子发挥核心作用（Seo & Kim，2017）。在拟南芥中，MYB28和MYB29主要调控脂肪族GSLs的合成，MYB34、MYB51和MYB122则参与吲哚族GSLs合成通路的激活（Gigolashvili et al.，2007b；Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。研究表明，BoMYB29过表达可上调脂肪族GSLs合成相关基因的表达，提高GSLs积累水平（Araki et al.，2013）。类似地，BrMYB51参与大白菜吲哚族硫苷生物合成（Wang et al.，2025）。在甘蓝型油菜中，MYB28的表达水平与脂肪族GSLs含量呈显著正相关，其启动子中含有多个变异的顺式调控元件（Augustine et al.，2013）。GSLs基因型的差异不仅来源于编码区的变异，还受到调控区域中顺式元件多样性的影响（Liu et al.，2014）。上述MYB转录因子的功能保守性在不同芸薹属物种间存在一定的分化，且在基因组加倍背景下，常伴随着调控路径的冗余与亚功能化现象（Wittstock & Halkier，2002；Liu et al.，2014）。因此，MYB转录因子在油菜、青花菜等非模式作物中的功能特异性及调控机制仍需进一步研究。 除基因调控外，表观遗传机制也参与GSLs基因的表达调控。在拟南芥中，DNA甲基化变异虽对GSLs水平的影响小于遗传变异，但对其表达与性状稳定性仍具有调控作用（Aller et al.，2018）。 滑动查看本节内容 3.2  环境调控 植物在遭受昆虫取食、病原感染等生物胁迫时，会迅速重构GSLs代谢通路，产生动态应答（Ali et al.，2024）。在拟南芥中，咀嚼式昆虫攻击可诱导CYP79B2、CYP81F2和MYB51等吲哚族GSLs合成通路基因表达上调，促进I3M及其羟基化衍生物的积累（Müller et al.，2010）。类似地，蚜虫侵袭可使青花菜中的吲哚族GSLs含量提高约3倍（Kuhlmann & Muller，2009）。此外，吲哚族GSLs与黑芥子酶TGG1和TGG2的互作有助于提高拟南芥对二斑叶螨（Tetranychus urticae）的抗性（Widemann et al.，2021）。 病原菌也能诱导特异性的GSLs应答。例如，丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）感染可激活MYB5与CYP83B1的表达，但仅在JA信号存在时才观察到GSLs含量的上调（Brader et al.，2001）。在抗性甘蓝自交系中，黑胫病菌（Leptosphaeria maculans）感染可诱导脂肪族与吲哚族GSLs的积累（Robin et al.，2020）。根际促生菌（Pseudomonas fluorescens）虽并不致病，但也可微弱诱导GSLs的合成（Pangesti et al.，2016）。近期研究表明，羽衣甘蓝根际的某些内生真菌不仅可促进植物生长，还能调控根部GSLs代谢谱（Poveda et al.，2022）。感染根肿病的油菜根系中，脂肪族、吲哚族和芳香族GSLs含量均增加（Xu et al.，2018）。上述生物胁迫诱导的GSLs重构过程往往表现为组织特异性的转录响应变化。 矿质营养、光照、温度等非生物因素也显著影响GSLs的合成与积累。硫（S）作为GSLs核心组分，其供应水平决定脂肪族的GSLs合成量。在青花菜中，施硫处理可显著上调MAM1、CYP79F1及MYB28的表达，而硫限制则抑制脂肪族GSLs积累（Falk et al.，2007；Omirou et al.，2009；Frerigmann & Gigolashvili，2014b）。氮（N）则表现出典型的剂量依赖性及与硫拮抗作用：低氮促进GSLs合成，高氮配合低硫则显著抑制相关基因表达（Bilsborrow et al.，1993）。此外，高氮处理还可诱导青花菜叶片中吲哚族GSLs含量显著上升（Omirou et al.，2009）。此外，UVA辐射与硒（Se）处理协同作用也可增强GSLs的积累（Gao et al.，2021）。 光照与温度作为外部物理因子，也会调控GSLs的积累。UV-B辐射可诱导CYP79B2和CYP79B3表达，激活Trp-IAOx-I3M路径，增强吲哚族GSLs的积累（Mewis et al.，2012）。此外，UV-B还能与褪黑素处理产生协同效应，进一步增强脂肪族与吲哚族GSLs的生物合成（Wang et al.，2024）。冷胁迫可诱导脂肪族GSLs总量上升（Tang et al.，2023）。短期高温处理虽抑制硫同化，但在胁迫初期能显著上调BcMYB28和BcMYB29的表达，促进小白菜幼苗GSLs的积累（Rao et al.，2021）。中度干旱或ABA信号可通过IAA5、IAA6和IAA19维持脂肪族GSLs合成基因的表达和GSL水平，增强干旱耐受性；在更严重或持续的胁迫下，部分基因型中脂肪族GSL合成通路被抑制，但其分子机制尚不清楚（Salehin et al.，2019；AbdElgawad et al.，2023）。无论水分条件如何，叶子GSLs含量始终高于根部（Ben et al.，2023）。类似地，缺水胁迫后，大白菜中硫苷含量显著增加（Kim & Sang，2024）。生物胁迫和环境因子通常通过MYB28、MYB76和MYB29等关键转录因子调控脂肪族GSLs的合成（Frerigmann & Gigolashvili，2014b）。不同作物基因型对GSLs的响应差异，为GSLs代谢调控机制解析及育种策略改良提供了重要参考。 滑动查看本节内容 3.3  激素调控 植物激素在植物生长发育调控中具有关键作用，通过调节关键转录因子及其下游结构基因的表达，影响代谢物的合成与积累。硫代葡萄糖苷（glucosinolates，GSLs）的合成与积累受到多种植物激素信号的共同调控，包括茉莉酸（JA）、乙烯（ET）、水杨酸（SA）、生长素（IAA）与脱落酸（ABA）等（图2）。 3.3.1  茉莉酸（JA） 茉莉酸（JA）作为内源性生长调节剂，能够调节植物的生长发育和抗性。JA处理可显著上调MAM1、CYP79F1和CYP79B2等GSLs关键合成基因的表达（Ku et al.，2016）。JA处理后，青花菜、萝卜、油菜等多种十字花科植物芽苗中总硫苷含量升高，且对吲哚族硫苷的影响大于对脂肪族硫苷的影响（Thiruvengadam et al.，2015；Xu et al.，2018；Rios et al.，2021）。茉莉酸处理后，油菜中BnMYB28.1显著上调，诱导脂肪族GSLs的合成（Xu et al.，2018）。 茉莉酸甲酯（MeJA）是JA的活性形式。MeJA处理显著提高白菜和青花菜的GSLs含量（Chiu et al.，2019；Baek et al.，2021）。在处理后的青花菜芽苗中，萝卜硫苷含量从183 mg · 100 g-1增加到294 mg · 100 g-1（Baenas et al.，2014）。外源喷施MeJA后，根部比叶片积累更多的吲哚族硫苷（Zang et al.，2015）。MeJA和昆虫取食处理后，CYP81F4、MYB34基因表达水平显著上调，导致吲哚族硫苷浓度升高（Yi et al.，2016b）。研究表明，MeJA诱导的代谢变化还可能与昆虫取食反应存在协同诱导机制（Chiu et al.，2018）。叶面喷施MeJA和NaCl比单独施用NaCl引起更高的GSLs积累（Rios et al.，2021）。MeJA对地上部叶片GSLs含量的提升效果通常优于根部，这可能与叶面喷施方式或叶片自身对硫苷合成与积累的响应效率更高有关。 3.3.2  乙烯（ET） 乙烯（ET）广泛参与植物的生长、发育及应激反应。JA与ET联合处理可显著上调拟南芥MYB51与CYP81F2的表达，强化吲哚族GSLs通路活性，且诱导强度超过JA或ET单独处理（Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。拟南芥ET信号转导缺陷突变体中，JA诱导的GSLs积累显著滞后（Frerigmann & Gigolashvili，2014a），表明ET在提升GSLs响应强度方面具有重要作用。ET处理显著增加了大白菜中吲哚族、脂肪族和芳香族GSLs的含量（Thiruvengadam et al.，2015）。 3.3.3  水杨酸（SA） 水杨酸（SA）是一种重要的植物生长调节剂。在青花菜中，SA处理可诱导GSLs含量提升，并伴随MYB28和MYB122等转录因子表达增强（Yang et al.，2023）。长期高浓度SA处理可显著增加萝卜主根GSLs含量（Chen et al.，2019）。SA处理还可以延缓青花菜的黄化，减少期间硫苷的损失。处理后第20天，GRA和3–吲哚甲基硫苷（glucobrassicin，GBS）的损失率分别为对照组的62%和22%（Yang et al.，2023）。SA还可显著上调BoBCAT3、BoCYP83A1和BoMYB28等硫苷合成途径基因的表达（Yang et al.，2023）。叶面施用SA后，油菜的芥酸和GSLs含量虽略有降低，但品质得到提升（Ganj-Abadi et al.，2021）。 3.3.4  生长素（IAA） 生长素（IAA）与吲哚族GSLs合成共用色氨酸（Trp）作为前体，因此IAOx（吲哚–3–乙醛肟）是二者代谢的交汇点。CYP79B2和CYP79B3催化Trp生成IAOx，IAOx可进一步转化为IAA（Zhao et al.，2002）。在CYP83B1突变体中，IAOx无法进入GSLs通路，导致IAA代谢途径增强（Bak et al.，2001；Smolen & Bender，2002；Malka & Cheng，2017）。GSLs水解产物之一的3–吲哚乙腈（indole-3-acetonitrile，IAN）可在胞内进一步转化为IAA，为IAA稳态提供反馈补偿机制（Bak et al.，2001；Sugawara et al.，2009）。 IAA5、IAA6和IAA19等Aux/IAA蛋白调控脂肪族GSLs的合成，上述基因的缺失导致GSLs水平降低（Salehin et al.，2019）。IAA还可能通过底物竞争调节GSLs的跨膜转运，酵母体系中的研究表明IAA对AtGTR1介导的GSLs运输具有协同抑制作用（Chung et al.，2022）。GSLs代谢的中断通常导致生长素含量升高的表型，进一步表明GSLs与IAA稳态密切相关（Malka & Cheng，2017）。 3.3.5  脱落酸（ABA） 脱落酸（ABA）是植物逆境响应中的重要激素信号之一。在拟南芥中，外源ABA处理可诱导吲哚族硫苷相关调控因子MYB34的表达（Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。类似地，在大白菜中施用外源ABA可提高多种GSLs含量（Thiruvengadam et al.，2015）。在甘蓝芽苗中，50 μmol · L-1 ABA使总GSLs含量提高约72.7%，并增强黑芥子酶（myrosinase）活性（Wang et al.，2015）。在萝卜主根中，ABA处理同样可提高黑芥子酶活性（Chen et al.，2019）。ABA对GSLs的调控呈现材料与剂量依赖性。在小白菜中，10 mg · L-1 ABA处理降低了脂肪族GLSs含量（胡克玲和朱祝军，2013）。近期研究表明，在青花菜中，BolMYB28–BolMAM1模块通过促进脂肪族GSLs生物合成，调节ABA积累，影响气孔行为，从而提高耐盐性和耐旱性（He et al.，2026）。 图2  硫代葡萄糖苷合成途径及激素调控网络 滑动查看本节内容 4  硫苷代谢工程 4.1  基因工程在硫苷生物合成中的影响 硫苷合成途径中关键基因的敲除或修饰对硫苷的产量和合成效率具有重要影响，甚至可改变脂肪与和吲哚族硫苷的合成平衡，这为硫苷代谢工程提供了见解和思路。BCAT4在硫苷合成中起重要作用，通过将甲硫氨酸（Met）和高甲硫氨酸（homoMet）脱氨基转化为2–酮酸。bcat4敲除突变体中脂肪族硫苷（aliphatic GSLs）含量减少近一半，而游离甲硫氨酸和S–甲基甲硫氨酸（甲硫氨酸的转运形式）水平显著增加，表明BCAT 4至少参与第一次脱氨基反应（Diebold et al.，2002；Schuster et al.，2006）。在bcat3敲除突变体中，硫苷的合成平衡向长链脂肪族硫苷转移（图3）（Knill et al.，2008）。由于长链缬氨酸和亮氨酸的硫苷积累，植物中总硫苷水平更高。 IPMI是由大亚基和小亚基组成的异源二聚体。大亚基IPMI-LSU1的敲除突变导致2–（3′–甲基亚磺酰基）丙基苹果酸（Met第一个链延长周期中相应中间体的氧化衍生物）积累，以及游离甲硫氨酸和甲硫氨酸相关代谢物增加，从而降低脂肪族硫苷水平（Knill et al.，2009；Sawada et al.，2009）。这表明IPMI-LSU1在脂肪族硫苷的生物合成中具有重要作用。IPMI小亚基由三个基因编码。ipmi-ssu1敲除种子呈现致死表型，表明其编码蛋白主要参与亮氨酸（Leu）的生物合成。另外两个基因IPMI-SSU2和IPMI-SSU3的单敲除突变体在叶片和种子中的氨基酸和硫苷水平仅发生轻微变化（Knill et al.，2009）。IPMDH1与硫苷生物合成基因强烈共表达，其敲除突变体显示硫苷含量降低（图3）（Hirai et al.，2007；He et al.，2009；Sawada et al.，2009）。 MYB转录因子对硫苷合成具有调控作用。MYB51和MYB122的过表达导致色氨酸衍生的吲哚族硫苷积累增加，而MYB28、MYB29和MYB76的过表达则导致甲硫氨酸衍生的脂肪族硫苷增加（图3）（Sønderby et al.，2010；Frerigmann & Gigolashvili，2014a）。同样，相应基因的敲除分别导致吲哚族和脂肪族硫苷的显著下调。敲除转录因子BoHY5可增加青花菜中脂肪族和芳香族GSLs及总GSLs的含量，但降低吲哚族GSLs含量，表明BoHY5是平衡脂肪族和吲哚族GSLs代谢水平的关键调控因子（Gao et al.，2025）。在烟草中，瞬时共表达参与苄基硫苷生物合成的五个基因（CYP79A2、CYP83B1、SUR1、UGT74B1和SOT16）可产生少量苄基硫苷，但同时积累醛肟活化的谷胱甘肽（GSH）偶联物（Geu-Flores et al.，2009；Dixon et al.，2010）。与γ–谷氨酰肽酶1（GGP1）的共转化可降低GSH偶联物水平，增加苄基硫苷产量，推动硫苷合成途径向下游延续。上述结果证实了GGP1在硫苷代谢工程中的作用（Geu-Flores et al.，2009；Dixon et al.，2010）。 图3  基因工程对硫苷含量的影响 滑动查看本节内容 4.2  黑芥子酶在硫苷代谢工程中的作用 Keap1（kelch-like ECH-associated protein 1）是Nrf2（NF-E2-related factor 2）的主要负调控因子。在生理稳态下，Keap1通过泛素–蛋白酶体途径快速降解Nrf2；在氧化应激等条件刺激下，Keap1的构象改变可导致Nrf2释放并激活抗氧化反应。黑芥子酶TGG1可将4–（甲亚砜基）丁基硫苷（glucoraphanin，GRA）水解为萝卜硫素（sulforaphane，SFN）。研究表明，SFN可促进Keap1的二聚体解离，使Nrf2逃脱泛素化，转而进入细胞核，进而诱导II相解毒酶和抗氧化防御酶的合成，从而发挥抗氧化作用并改善精神障碍（图4）（Fahey et al.，2001；Ruhee & Suzuki，2020；Zheng et al.，2022）。此外，Nrf2可阻断酪氨酸激酶受体（recepteur d' origine nantais，RON）的表达及RON介导的癌细胞侵袭（Thangasamy et al.，2011；Kaiser et al.，2021）。SFN还可通过抑制NF-κB信号通路的激活，显著减弱各种炎症介质的表达（图4）（Ruhee & Suzuki，2020）。 图4  萝卜硫素（SFN）对健康的影响及其分子机制 十字花科植物中的硫苷可被黑芥子酶有效降解，产生异硫氰酸酯等代谢产物。异硫氰酸酯不仅是形成十字花科蔬菜独特风味的主要化合物，还具有参与植物防御和人类癌症预防等生物活性。 黑芥子酶是一种糖蛋白，十字花科植物中存在多种黑芥子酶同工酶。不同来源的黑芥子酶在表观分子量、亚基数及糖链含量上存在差异，导致其对同一硫苷的降解速率和降解产物组成不同（Pessina et al.，1990；Zhang et al.，1994；Fahey & Talalay，1999；Matusheski & Jeffery，2001）。黑芥子酶通常以同工酶形式存在。大多数黑芥子酶同工酶为二聚体，亚基分子量在65 ~ 75 kDa之间（Lönnerdal & Janson，1973；Durham & Poulton，1989；Lenman et al.，1990； Shikita et al.，1999）。而山葵中的黑芥子酶由12个亚基组成，每个亚基分子量约为45 kDa（Ohtsuru & Kawatani，1979）。目前认为，黑芥子酶由MA、MB和MC3个基因编码。MA编码的黑芥子酶以游离二聚体形式存在，MB和MC编码的黑芥子酶则与其他蛋白质形成复合物。该复合物主要包括黑芥子酶、黑芥子酶结合蛋白（MBP）和黑芥子酶相关蛋白（MyAP）。 不同来源的黑芥子酶活性存在显著差异，青花菜中的黑芥子酶可促进GRA降解，尤其是提高SFN的产量；芥蓝来源的黑芥子酶则大幅提高异硫氰酸酯的产量。即使是同一来源的黑芥子酶，对不同结构硫苷的底物选择性和催化活性也存在差异（Piekarska et al.，2013）。黑芥子酶的活性在不同组织和发育阶段存在差异，在种子和幼苗阶段最高（Bones，1990）。pH、温度、维生素C、压力和光照等因素均会影响黑芥子酶的活性。研究表明，氯化镁和抗坏血酸联用可提高青花菜中黑芥子酶的活性（Ludikhuyze et al.，2000）。 在植物细胞中，硫苷和黑芥子酶是相互分离的。硫苷主要储存于液泡中，黑芥子酶则以蛋白颗粒形式存在于黑芥子细胞中。当植物组织遭受病虫害破坏或入侵时，细胞破裂释放黑芥子酶，其与硫苷接触并反应，将其降解为异硫氰酸酯、硫氰酸根离子、腈和恶唑烷硫酮等生物活性物质（Rask et al.，2000）。部分降解产物具有毒性，可抵抗病原或昆虫的入侵。因此，硫苷–黑芥子酶系统是十字花科植物重要的防御体系，可调节植物与环境的相互作用。昆虫、病原体、干旱、盐和重金属胁迫均可引起硫苷–黑芥子酶系统的变化，进而影响植物的防御反应（周丽和周青，2010）。硫苷的降解产物还影响十字花科蔬菜的风味品质，赋予其独特的香气。异硫氰酸酯具有杀菌、抗癌等生物活性，目前的研究重点集中在其对肺癌、血液癌症和食管癌等恶性肿瘤的防治效果（Mithen et al.，2000；周丽和周青，2010）。 滑动查看本节内容 5  硫苷相关产业研发方向及前景 5.1  现代农业技术对硫苷产业发展的贡献 随着基因编辑、基因聚合和单倍体育种等现代农业技术的发展，高硫苷含量十字花科蔬菜品种的培育进程加快。例如，选育高萝卜硫苷（GRA）含量的萝卜种质（如F1060、F1078）或降低辣味物质Glucoraphasatin（GRH）含量的品种（如W1063），可以提升生食口感与营养价值。史明会（2013）开发了四对与GRA含量相关的分子标记，加快了优质青花菜育种进程。对硫苷合成途径关键基因进行编辑可以提高硫苷产量。例如，敲除转录因子HY5可以提高脂肪族硫苷的产量（Gao et al.，2025）。 利用硫苷的天然抗虫抗菌特性，可减少对化学农药的依赖。例如，十字花科种子饼粉可抑制野燕麦等杂草生长，用于开发生物除草剂。 通过精准控制温度（如9 ~ 15 ℃贮藏）、气调保鲜及褪黑素（100 μmol · L-1）处理，可显著提升采后硫苷保留率。结合物联网监测的水肥一体化数字农业平台，可以实现硫苷合成关键因子（如土壤pH、光照强度）的动态优化。 滑动查看本节内容 5.2  硫苷产业现状与应用 5.2.1  硫苷产业现状 随着消费者健康意识的提高，青花菜的市场需求日益增长。作为富含硫苷的蔬菜作物，其健康价值日益受到关注。通过生物育种，食品加工和发酵工程等手段，可以提升青花菜硫苷的产量。 硫苷的降解产物（如萝卜硫素、吲哚–3–甲醇等）能够有效抑制癌细胞的产生。硫苷降解产物在高等动物中也表现出一系列毒性及抗营养效应，同时具有多种其他生物学功能。Brabban和Edwards（1995）的研究表明，硫苷对微生物生长无影响，而其水解产物则具有抑制作用。Depree等（1998）指出，山葵中的异硫氰酸盐具有较强的抗细菌和抗真菌作用，从其叶、叶柄和根中提取的精油还能抑制血小板凝集。此外，洋葱提取物也被证明具有抗哮喘效应。上述研究表明，硫苷水解产物具有多种重要功能，若能得到广泛开发，将极大地造福人类健康。随着消费水平的提高和饮食观念的转变，追求辛辣刺激且健康的饮食方式逐渐受到青睐。以十字花科蔬菜为原料、具有强烈辛辣风味的调味品（如辣根酱和芥末油等）日益普及（牛丽影 等，2005）。硫苷降解产物是这一辛辣风味的主要来源。深入研究其降解途径、机理及产物，将有力推动相关成果的产业化应用，有助于改变中国在辛辣调味品领域依赖进口的局面，满足国内消费者需求。 硫苷最重要的降解产物之一是萝卜硫素。萝卜硫苷是主要存在于青花菜种子和芽苗中的天然活性产物，经黑芥子酶或肠道微生物作用后可转化为萝卜硫素。萝卜硫素是目前发现的Nrf2最强激活剂之一，可通过激活Nrf2开启解毒、抗氧化和抗炎等多种细胞保护作用。据市场数据，2019年中国萝卜硫苷市场规模约35亿元人民币，年复合增长率（CAGR）约为12%，呈稳健增长态势。萝卜硫苷作为一种天然植物活性成分，主要来源于萝卜等十字花科蔬菜，因其具有抗氧化、抗肿瘤等健康功效，在食品和保健品领域得到了广泛应用。 中国是萝卜硫苷的主要生产国，占全球市场份额的60%以上。河北、山东和河南等省份的种植面积和产量尤为突出，2019年上述三省的萝卜硫苷产量合计超过全国总产量的70%。随着消费者对健康生活方式的追求及对天然食品添加剂认知的提升，市场需求持续增长。根据博研咨询与市场调研在线网的分析，2018—2019年间，中国萝卜硫苷在食品加工行业的应用比例提升了近5个百分点，达到30%。 目前，硫苷产业化主要有以下几个发展方向：生物育种、功能食品开发、生物医药、合成生物学和人工智能等。 5.2.2  功能食品开发 功能食品开发可以拓宽硫苷产业链，为青花菜副产品加工及保健产品开发提供方向。青花菜芽的健康功效已经被临床研究证实，其芽粉可降低糖尿病患者空腹血糖和糖化血红蛋白水平（Shapiro et al.，2006；Bahadoran et al.，2011）。基于肠道菌群的治疗策略（如益生菌和益生元制剂）可能有益于心理健康。富含萝卜硫苷的发酵泡菜对炎症和抑郁症状具有缓解作用（Karbownik et al.，2022；Kim et al.，2022）。采用微胶囊技术包埋萝卜硫素，可以提升其稳定性及肠道靶向释放效率。 5.2.3  加工技术创新 加工技术创新可以提高硫苷的保留率和利用率。例如，短时微波处理比传统烹饪保留更多硫苷，生食硫苷含量可达煮食的3倍（郭尊奕 等，2025；杨佳航，2018）。研究表明，青花菜中的硫苷比其他十字花科蔬菜更易转化为异硫氰酸盐（萝卜硫素），而异硫氰酸盐具有良好的抗癌活性。硫苷可以通过酶降解、热降解和化学降解3种途径分解，其中酶降解是最主要的方式。某些昆虫和微生物体内也含有黑芥子酶，可酶解硫苷，例如植物乳酸菌、黑曲霉和啤酒酵母等（李丽倩，2015）。发酵工程可以加速萝卜硫素灯高价值硫苷代谢物的生产。利用乳酸菌等微生物可将硫苷转化为活性萝卜硫素，例如卷心菜泡菜通过发酵可提升硫苷的生物利用率。 5.2.4  抗癌与代谢疾病治疗 硫苷在生物医药领域也有广泛应用。萝卜硫素可以通过激活Keap1-Nrf2通路，诱导Ⅱ相解毒酶表达，从而发挥抗氧化和抗癌等作用。研究表明，萝卜硫素具有抗炎、抗氧化、神经保护及抑制肿瘤增殖（如肝癌、乳腺癌）等作用，联合用药（如与紫杉醇联用）可增强抗癌效果（Fahey & Talalay，1999；Burnett et al.，2017；Ruhee & Suzuki，2020；Zheng et al.，2022；Otoo & Allen，2023；）。青花菜芽提取物对糖尿病前期（空腹血糖受损）患者的空腹血糖具有一定降低作用。萝卜硫素的生物前体——4–甲基亚磺酰丁基硫苷在十字花科蔬菜（如青花菜）中含量丰富。将青花菜芽提取物开发为糖尿病前期患者的辅助治疗手段具有较大潜力（Dwibedi et al.，2025）。 5.2.5  神经与退行性疾病新靶点 在NPC1小鼠模型中，萝卜硫素可通过去磷酸化激活大脑中的TFEB，有效减轻浦肯野细胞丢失并维持体重。因此，靶向TFEB上调溶酶体功能是治疗C型尼曼匹克病（NPC）及相关溶酶体贮积病的潜在策略，萝卜硫素作为TFEB激动剂有望成为NPC治疗的候选药物（Du et al.，2025）。 在神经炎症干预方面，萝卜硫素对大脑健康的保护作用已得到广泛研究，并进一步扩展到阿尔茨海默病（AD）、帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症、多发性硬化症、自闭症谱系障碍和精神分裂症等多种神经系统疾病（Kim，2021）。研究表明，萝卜硫素可通过激活核因子红细胞2相关因子2（Nrf2），保护神经元和小胶质细胞免受氧化应激损伤（Konwinski et al.，2004；Kraft et al.，2004）。萝卜硫素诱导的Nrf2激活有助于减轻阿尔茨海默病（AD）、帕金森病、亨廷顿氏病、肌萎缩侧索硬化症、多发性硬化症、自闭症谱系障碍（ASD）和精神分裂症等实验模型中的多种神经病理损伤（Vargas et al.，2008；Li et al.，2013；Liu  et al.，2014；Zhou et al.，2016；Zhao et al.，2018）。 滑动查看本节内容 5.3  未来发展方向 5.3.1  合成生物学 在细胞工厂方面，硫苷的稳定性较好，黑芥子酶经固定化后也具有较好的稳定性。然而，从植物中提取黑芥子酶产量较低，难以满足规模化生产需求。构建工程菌株（如大肠杆菌）表达黑芥子酶，可以实现萝卜硫苷的微生物合成，从而替代植物提取（肖海燕，2008）。 在酶催化升级方面，固定化黑芥子酶技术可以提升硫苷水解效率。通过添加一定浓度的特定金属离子可以调节固定化酶的活性：4 mmol · L-1的Sr2+对酶活性表现出显著的激活作用，提升幅度可达3倍；Sn2+和Ba2+则表现为低浓度激活、高浓度抑制的双重效应（Iori et al.，1988；Rai，2013）。 5.3.2  AI驱动设计与预测 在药物设计领域，AI可模拟萝卜硫素与靶点（如Nrf2和TFEB）的互作，优化衍生物结构以提升其生物利用度。Vu和Nguyen（2024）预测，萝卜硫素可能通过调节45个靶点（尤其是TNF、INS和BCL2）发挥改善阿尔兹海默病的作用。Qu等（2024）通过网络药理学方法筛选到萝卜硫素抑制结肠癌细胞的多个关键作用靶点，包括EGFR、MAPK14、MCL1、GSK3B、PARP1、PTPRC、NOS2、CTSS、TLR9和CTSK。 5.3.3  产业链整合 在农业端，培育高硫苷含量品种，结合水肥一体化技术提高种植效率与产量。适度的胁迫诱导有助于萝卜硫素产量（Yang et al.，2015）。建立“育种—种植—加工”一体化产业链合作模式。充分发挥科研机构的技术优势和企业转化优势，运用分子标记辅助选择、全基因组选择等技术，定向培育专用型青花菜品种。例如，富硒型品种‘中青15’可用于制作富硒青花菜粉，‘国王系列’品种则用于开发青花菜方便面。 在工业端，在提高前端种植效率与产量的同时，应着力提升萝卜硫素的提取效率并改进保存技术。例如，通过提高黑芥子酶粗提物的酶含量与活性，并在萃取过程中控温，可进一步提高萝卜硫素产率。上述技术及产业布局有助于保障医药原料供应，拓展萝卜硫素的应用场景。 滑动查看本节内容 5.4  风险与挑战 在高附加值次生代谢物的加工与处理方面，萝卜硫素是青花菜中最具价值的次生代谢物之一，但在pH > 6或60 ℃以上条件下易降解。开发包埋等深加工技术以延长其活性时间并提高稳定性，是当前面临的主要技术挑战。微胶囊化是稳定萝卜硫素的一种颇具前景的加工技术。如何通过青花菜采后加工提高萝卜硫素的产率，同样是一个关键技术难题。 在毒性管控方面，部分硫苷的特定水解产物可能引起甲状腺肿大。例如，摄入Progoitrin后，在动物（如猪、牛）或人类肠道菌群作用下发生脱硫反应，生成异硫氰酸酯，进而导致甲状腺肿大。这类有害硫苷可残留于饼粕中，后者须经脱毒处理或严格限制用量方可作为牲畜饲料。因此，在青花菜副产品加工以及品种选育过程中，应筛选高有益硫苷、低有害硫苷的品种，并在加工环节去除有害成分。此外，还需制定硫苷的安全剂量标准。 综上，硫苷具有多重生物活性与跨产业应用潜力，有助于推动农业升级、医疗突破和健康消费。随着基因编辑、分子设计育种和人工智能等技术的发展，“种源创新 × 合成生物学 × 数字技术”的三角驱动模式为萝卜硫素产业提供了新思路。充分发挥科研机构的技术优势与企业转化能力，加强产学研协作，将有助于实现从田间到健康的全程价值转化。 滑动查看本节内容 创新性 本文系统综述了硫苷代谢、影响因子、代谢工程及产业发展等方面的研究进展，以期为硫苷的相关研究及产业应用提供参考。 作者介绍 该研究以浙江农林大学和中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一和通信单位。赵伟伶、赖尚祥为该综述的共同第一作者，臧运祥教授和李占省研究员为该综述的共同通信作者。 团队介绍 臧运祥教授为浙江农林大学园艺学院十字花科团队负责人。团队主要从事白菜、青花菜、萝卜等十字花科蔬菜的栽培技术、遗传育种、品质调控等方面的研究工作，主持国家自然科学基金、教育部留学回国人员科研启动基金、浙江省公益性项目、浙江省自然科学基金、浙江省农业重大技术协同推广计划项目等各类科研项目40余项；发表学术论文150余篇，其中SCI收录论文60余篇；授权国家发明专利11件、实用新型专利20余件。 基金项目 国家自然科学基金项目（32272742） 阅读推荐： 综述合集 请关注我们的姊妹号，更加全面了解园艺科学前沿领域研究