查尔酮异构酶简介

异黄酮合成代谢调控关键酶CHS、CHI的特性与研究前景第26卷第5期2007年1O月大豆科学SOYBEANSCIENCEV oI_26No.5Oct.2007异黄酮合成代谢调控关键酶CHS,CHI的特性与研究前景李莉,孙欣.,马君兰,赵越(1.东北农业大学,哈尔滨150030;2.黑龙江省农业科学院大豆研究所,哈尔滨150086)摘要查尔酮合酶(Chalconesynthase,CHS)与查尔酮异构酶(Chalconeisomerase,CHI)是异黄酮合成途径中的两个关键酶,它们在植物中的表达效率直接影响到异黄酮的产量.本文综述了植物CHS,CHI的功能,特性,基因结构,进化以及基因表达调控等方面研究的新进展,并对CHS,CHI研究的应用前景进行了展望,在此基础上提出了从根本上提高异黄酮产量的可行途径以及一些亟代解决的问题.关键词异黄酮;查尔酮合酶(CHS);查尔酮异构酶(CHI)中图分类号Q814文献标识码A文章编号1000—9841(2007)05--0762--04 PROGRESS0NKEYENZYMESCHS,CHIOFISOFLAV0NESSYNTHESIZELILi,SUNXin",MAJun—lan,ZHAOYue(1.NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030:2.SoybeanResearchInstituteofHeilongjiangAcademyofAgriculturalSciences,Harbin150086)AbstractChalconesynthase(CHS)andChalconeisomerase(CHI)arethekeyenzymesinisof ia—vonessynthesize,andvariationoftheirexpressionmightaffectthecontentofisoflavones.Th efunction,character,genestructure,geneevolutionandexpressioncontrolofCHSandCH1we resummarizedinthispaper.TheapplicationforegroundofCHSandCH1werealsoprospected, andthemeanstoincreaseisoflavoneswereadvised.KeywordsIsoflavones;Chalconesynthase(CHS);Chalconeisomerase(CHI)异黄酮(Isoflavone)是植物生长过程中形成的次生代谢产物,是生物黄酮中的一种,也是一种植物雌激素,主要是指以3一苯并吡喃酮为母核的化合物,动物体内不能合成.它主要包括大豆黄素(Daidzein),染料木素(Genistein),6一甲氧大豆素(Glycitein)三种游离型甙元和它们的九种葡糖苷.收稿日期:基金项目:作者简介:通讯作者:2006—12—30黑龙江省教育厅资助课题(10551024)李莉(1977一),女,硕士研究生,研究方向植物生理生化.赵越,E—mail;yuezhao一**************;Tel1393613,1116大量的实验表明:异黄酮在植物体内可作为保护性物质,保护植物正常生长,抵制病虫侵害;在动物体内能降低胆固醇,预防癌症,预防骨质疏松,促进繁殖,泌乳和生长等,显示了异黄酮可以作为动物生长的调节剂和促进剂,使其成为动物营养学的研究热点之一[.然而,在自然界中异黄酮的资源十分有限,只局5期李莉等:异黄酮合成代谢调控关键酶CHS,CHI的特性与研究前景限于豆科的蝶形花亚科等极少数植物中,如大豆,墨西哥小白豆,苜蓿和绿豆等植物中,其中异黄酮含量最高的只有苜蓿和大豆(故称为大豆异黄酮),在含量最高的大豆中所含的异黄酮也仅为0.1～0.5.因此研究异黄酮合成的关键酶基因的表达规律,不但可以在分子生物学领域找到提高异黄酮相对含量的方法,而且在深入利用异黄酮资源方面具有极大的应用价值.异黄酮的生物合成途径是研究最早且较深入的次生代谢途径之一,大量研究已经大体揭示了异黄酮生物合成途径(图1):对香豆酸辅I~A(4?Coumaryl-CoA)丙二酰辅酶A(Malonyl—CoA) HS)查尔~j(Chalcone)l查尔酬异构酶(CHI)'类黄flleJ(Flavones)图1植物体内异黄酮合成代谢的一般途径Fig.1Thegeneralpathwayofisoflavone synthesisandmetabolisminplant从图上可知:异黄酮合成途径是植物类黄酮代谢途径的一个分支,部分参与异黄酮合成的酶与参与其它类黄酮类物质(如花色素苷元等)合成的酶相互交叉.其中特别值得提出的是CHS和CHI,作为异黄酮合成途径中的两个关键酶,其表达量的改变或表达功能的丧失及酶的失活都将直接影响到黄酮类代谢产物的量j,所以越来越多的人把目光集中在这两种酶的研究上.1CHS,CHI研究的新进展1.1查尔酮合酶(或苯基苯乙烯酮合酶.Chaleone synthase,CHS)1.1.1CHS蛋白的基本功能CHS蛋白为类黄酮合成途径中的第一个特异性酶,它不需要辅助因子,在特定物种中,CHS蛋白和一个依赖NADPH的还原酶协同作用,催化该途径的第1步反应,即1分子4一香豆酰一CoA与3分子丙二酰一CoA缩合形成查尔酮(又称苯基苯乙烯酮,Chalcone).查尔酮为其它类黄酮(如花色素苷元,异黄烷酮,黄酮醇等)合成提供基本骨架,所以说CHS蛋白催化的反应是整个类黄酮合成途径的重要限速步骤.1.1.2CHS蛋白的基本特性对CHS蛋白的X射线衍射,表明该酶是一个同源二聚体蛋白,有2个功能互相独立的亚基,每个亚基的分子量为4O～45 kDaEs].不同植物问,CHS蛋白氨基酸同源性一般在85以上,表明不同植物的CHS蛋白具有高度的保守性,而这种一级结构的高度的保守性,也说明了不同植物的CHS蛋白功能的高度一致性.比如,被子植物和松柏科植物间CHS蛋白的氨基酸序列同源性高达9O.1.1.3CHS基因的结构CHS基因是世界上第一例从经紫外线辐射的欧芹(Petroselinumhor—tense)悬浮培养细胞中分离的类黄酮生物合成基因],目前EMBL数据库中有来自于19个科8O多个CHS基因编码区全序列.不同植物之问,CHS基因的编码区比较保守,长约1.2kb,不同科问DNA的同源性达6O以上. CHS的基因结构也非常保守,据报道除金鱼草的一个CHS基因AMCHS含有两个内含子外],其余的都只有1个内含子,而且这个内含子的位置在已发现的序列中均相同,即位于第65位(以欧洲赤松的PSCHS为标准)的半胱氨酸密码子内第1和2 位碱基之间,其长度从几十碱基对到几千碱基对不等.外显子I编码约57～64个氨基酸,外显子2编码约340个氨基酸,对CHS基因外显子2氨基酸序列进行排序,结果表明,CHS基因的外显子2比较保守,没有大的插入,缺失突变,科间氨基酸同源性一般在7O以上【6j.不同植物之间,CHS基因拷贝数目差异很大],而且功能上存在明显差异.如,金鱼草和拟南芥的基因组中都只含单个的CHS基因拷贝,菜豆有6～8个,水生三叶草至少有9个,矮牵牛中有12 个,非洲菊中有3个.同一植物体内虽然也存在CHS多个编码基因,但在不同品系中的表达活性不同.如:Pinusstrobus中的CHS1和CHS2基因编码的蛋白质有88的同源性,但CHS1催化查尔酮合成,CHS2催化二酮基CoA与甲基丙二酰CoA 的缩合反应;矮牵牛中至少有8个CHS基因,有的品系有一个基因表达活性高,有的品系有2个基因表达活性较高.1.1.4CHS基因的进化CHS基因是一个多基因家族,依据类黄酮物质存在与否,推测该基因最早出现在藓类,在CHS基因的进化中基因重复一分歧大豆科学5期(duplication—divergence)是经常发生的事件.攀枝花苏铁的两个克隆CPAI和CPAS分布在相距很远的分支中,说明CHS基因的重复在裸子植物就已经发生,依据已有数据,欧芹,拟南芥和金鱼草中似乎都只存在一个拷贝,而在其他物种中均有多个, 其中豆科的拷贝数最多,但在分支图上,豆科的27 个序列却只形成一组,即这些序列重复发生在豆科分化之后.以上分析说明CHS基因在不同的科中发生的重复和丢失的情况不同,因此,很难确定直系同源的CHS基因成员,从而很难用此基因进行被子植物科间系统发育的研究.1.1.5CHS基因的表达调控CHS基因的表达能被光照[,生理钟【1..,低温"],BA和GA5],脯氨酸及碳水化合物,P蛋白[1等所调节.CHS基因的表达也是与其它基因相互作用的结果,如FIN2,FJN5基因的突变导致CHS表达受损伤口,而L兀厂Tl和ICXI基因的突变则导致CHS基因表达水平的提高口引.1.2查尔酮异构酶(或查尔酮一黄烷酮异构酶, Chalconeisomerase,CHI)1.2.1CHI蛋白的基本功能CHI蛋白是第一个被认识的与类黄酮合成相关的酶,它催化分子内环化反应,通过选择性地连接一个在结构上有益于闭环的离子化的查耳酮,使双环的查耳酮变为有生物学活性的三环的(S)一黄烷酮,即形成第1个类黄酮产物.CHI催化活性具有pH依赖性,在pH7.5时,其催化活性为90,而在pH6.0时,其催化活性则为50L1.这一步反应也可以在没有CHI蛋白的条件下在植物体中缓慢自发进行.1.2.2CHI蛋白的基本特性CHI蛋白以单体的形式普遍存在于大多数植物中,分子量因植物组织而异,约24～29kDaL1.通过比较发现,不同植物CHI蛋白的氨基酸序列同源性在50以上,存在明显差异,但这一差异集中在靠近N端与C端的部分氨基酸残基上,这说明在整个进化过程中,CHI蛋白的进化是趋于保守的.CHI蛋白的1.85A分辨率晶体结构显示,它具有一个奇怪的口一三明治折叠,这种三维结构的特异性可能与其催化活性的立体化学特异性有关,活性位点裂口的拓扑学效应限制了环化反应的立体特异性L1.CHI基因序列家族及其蛋白的这种三维折叠结构在植物中具有唯一性,已被建议作为植物特有的基因标记【1.1.2.3CHI基因的结构CHI基因在多种植物中被克隆(已克隆的CHI基因信息可在NCBI的主页上获得),具有较高的同源性,约499/6～809/6[3].植物中的CHI基因家族主要分为两大类[1:TypeI类CHI基因编码的酶蛋白只能将查尔酮异构化为(2S)一黄烷酮;TypelI类CHI基因编码的酶蛋白除了具有TypeI类的功能外,还能将6,_脱氧查尔酮异构化为(2S)一5一脱氧黄烷酮,它主要存在于豆科植物中.现在把在真菌和细菌中发现的,与植物CHI基因直向同源(orthologous)的CHI基因[1,归为TypeIII.在研究矮牵牛的CHI时发现,它含有两个CHJ基因,CHJA(AF233637)和CHJB(Xl4590). CHIA全长726bp,编码241个氨基酸L2叩;CHIB全长2l70bp,编码220个氨基酸.CHIA基因编码区上游存在两个启动子PAl和PA2,PAl和PA2在不同矮牵牛花组织中具有不同的驱动活性.PAl启动子在花冠组织中驱动CHIA表达,而PA2启动子仅在花药发育后期和花粉粒组织中启动CHJA ¨.CHIB只有一个启动子,仅仅在花药发育早期(未成熟的花粉组织)驱动CRIB基因表达.此外, CHIA和CRIB基因启动子区域有37bp的高度保守的DNA序列.1.2.4CHI基因的表达调控研究发现,CHI酶蛋白的积累与消失受光调控和紫外辐射诱导,并与CHS蛋白的积累存在协同性L2...另外,CHI也受P 蛋白的影响口引.实验表明,这种协同积累效应是因为CHI基因和CHS基因mRNA协同表达的结果....2研究前景大豆起源于中国,我国大豆的种质资源十分丰富.近几年,我国的科技界对于大豆蛋白,大豆磷脂,大豆低聚糖等成分的研究已逐渐深入,与国际上相关的研究与交流也比较多,但对于大豆异黄酮这一国际新热点的研究,却远远落后于欧,美,日本等国.它的研究的深入开展及成果的推广应用,将对我国相关方面的研究有极大的推动作用,并可以带来巨大的社会与经济效益L2引.改良栽培环境,贮藏条件,加工工艺等,这些方法确实在某些程度上提高了大豆异黄酮的含量,但不是从根本上提高其产量的方法.随着细胞生物学和分子生物学的不断发展,越来越多的研究者把工作重点转移到以为基础的生物技术上来,以期望在5期李莉等:异黄酮合成代谢调控关键酶CHS,CHI的特性与研究前景765 提高异黄酮类次生代谢物的产量的同时降低成本,主要表现在其代谢关键酶的分子克隆及基因工程方面L2,这也已经成为生命科学的一个新生长点.进一步了解对CHS,CHI特异性基因的结构特点,克隆,测序,作用机制,表达部位和时空表达模式的研究,将利于进一步研究它们的基因表达调控机理,同时也为更好的改造这些基因,进而改变它们的表达活性,富集特定目的次生代谢产物——异黄酮提供更多的基础资料.若能同时增强多个基因的协同表达则是提高异黄酮产量的捷径.人们在研究中发现,cHs基因和cH基因的表达在很多方面确实具有协同性,如它们同时受转录因子P蛋白的影响,转录因子P蛋白就充当了"分子开关"的作用,随着分子生物学的不断发展,在各国科学研究工作者的共同努力下,这些问题终将会得到解决,也将为异黄酮类次生代谢产物的研究开拓新的途径.参考文献[1][2][3][4][5][6][7][8]谷利伟,谷文英,过世东.新型生长调节剂——异黄酮类植物雌激素[J].饲料添加剂,2000,21(12):26—28. 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胀果甘草查尔酮异构酶基因的克隆及序列分析尹彦超;张晓冬;马永生;周姗;高智强;胡婷;刘颖【期刊名称】《生物技术通讯》【年(卷),期】2017(28)3【摘要】目的:对胀果甘草甘草苷生物合成途径的关键酶查尔酮异构酶(CHI)进行基因克隆及序列分析.方法:根据乌拉尔甘草CHI基因cDNA序列设计引物,以胀果甘草主根总RNA为模板RT-PCR扩增CHI基因cDNA序列,并对其进行分析.结果:克隆得到20条胀果甘草CHI基因eDNA序列,开放读框全长690 bp,编码229个氨基酸残基.20条胀果甘草CHI基因的cDNA序列存在22个变异位点,一致性为99.54％,可分为6种单倍型;其编码的氨基酸序列存在14个变异位点,一致性为98.98％.胀果甘草CHI基因编码蛋白为稳定性亲水蛋白,相对分子质量为24.5× 103,等电点为5.3～6.2,不合信号肽,无跨膜区,二级结构以α螺旋和无规则卷曲为主,保守结构域包含一个查耳酮超家族结构域.同源性分析显示,不同物种间的CHI基因同源性较低.结论:克隆了胀果甘草CHI基因cDNA序列,为进一步研究不同基原甘草中甘草苷生物合成的分子调控机制奠定了基础,并为优质甘草的分子选育提供了理论依据.%Objective:To clone and analyze the chalcone isomerase(CHI) gene from Glycyrrhiza inflata Bat..Methods:Specific primers were designed based on reported CHI cDNA sequence of G.uralensis,RT-PCR technique was used to amplify CHI cDNA sequences of G.inflata,and which were analyzed by bioinformatics.Results:Twenty CHI cDNA sequences ofG.inflata with the length of 690 bp were obtained encoding 229 amino acid residues.Twenty-two variable sites were found in these 20 cDNAsequences and 6 haplotypes werc determined,with a similarity of99.54％.Physicochemical property ananlysis shows that these CHI coding protiens are all stably hydrophilic protein,with a molecular weigh of 24.5 kD and a isoelectric point between 5.3～6.2.It has no signal peptides or transmembrane domains.Its secondary structure mainly consists of alpha helix and random coil.Also chalcone super family domain is included in the conserved domain.Homology analysis indicates that the homology of CHI among different species is low.Conclusion:CHI cDNA sequeces were successfully cloned from G.inflata.We hope this work will lay a foundation for further researches on the molecular mechanisms of flavonoid biosynthesis in different licorice origins and licorice molecular breeding.【总页数】7页(P274-280)【作者】尹彦超;张晓冬;马永生;周姗;高智强;胡婷;刘颖【作者单位】北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102;北京中医药大学中药学院,北京100102【正文语种】中文【中图分类】Q943.2【相关文献】1.油橄榄查尔酮合酶与查尔酮异构酶基因全长的克隆及序列分析 [J], 陈文拴;黄乾明;陈华萍;杨泽身;王安逸;苏光灿2.“冷俊”槭查尔酮异构酶基因(CHI)片段克隆及序列分析 [J], 尹燕雷;苑兆和;招雪晴;冯立娟;李芹3.胀果甘草查尔酮合成酶基因cDNA的克隆及序列分析 [J], 梁玉玲;姚红宝;曲占良;许恒飞4.光果甘草查尔酮异构酶基因的克隆及序列分析 [J], 张晓冬;尹彦超;周姗;马永生;胡婷;高智强;刘颖5.花生查尔酮异构酶基因的克隆及其序列分析 [J], 温世杰;邱金梅;刘海燕;朱方何;王文皓;梁炫强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

专利名称：一种海南龙血树查尔酮异构酶DcCHIL1及其编码基因和应用
专利类型：发明专利
发明人：朱家红,赵婉,梅文莉,戴好富,彭世清,王辉
申请号：CN201710334743.6
申请日：20170512
公开号：CN107190016A
公开日：
20170922
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种海南龙血树查尔酮异构酶DcCHIL1及其编码基因和应用。

该基因的核苷酸序列包括：(a)SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列；或(b)SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列经取代、缺失和/或增加一个或多个且表达相同功能蛋白质的核苷酸序列；或(c)与(a)或(b)的核苷酸序列具有90％以上同源性且表达相同功能蛋白质的核苷酸序列。

所述的查尔酮异构酶DcCHIL1其氨基酸序列如SEQ ID NO:2所示；或为SEQ ID NO:2经替换、缺失或添加一个或几个氨基酸形成具有同等功能的氨基酸序列。

本发明首次克隆得到海南龙血树查尔酮异构酶DcCHIL1基因，得到的DcCHIL1蛋白具有查尔酮异构酶活性，利用生物技术将该基因转入海南龙血树中可以提高海南龙血树类黄酮积累和血竭的产量，具有广阔的应用前景和极大的经济价值。

申请人：中国热带农业科学院热带生物技术研究所
地址：571101 海南省海口市龙华区学院路4号
国籍：CN
代理机构：北京创遇知识产权代理有限公司
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专利名称：桑树查尔酮异构酶基因及应用
专利类型：发明专利
发明人：余茂德,李军,刘长英,赵爱春,王茜龄,张琼予,金筱耘,吕蕊花,吴存容
申请号：CN201210119487.6
申请日：20120423
公开号：CN102643846A
公开日：
20120822
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一个来源于桑树的查尔酮异构酶基因的序列、克隆方法及应用。

该基因全长2112bp，含4个外显子和3个内含子，开放阅读框（ORF）全长为660bp，编码219个氨基酸，包括290bp的3′端非编码区。

该基因为植物类黄酮合成路径中的关键基因之一，采用基因工程的方法，将其导入桑树中，实现过表达，可提高桑树各组织中类黄酮的含量。

该发明还可以应用到其他植物中，改变植物体内类黄酮的含量及种类，降低从植物中提取类黄酮的成本，有利于促进类黄酮物质在医药产业中的开发利用。

申请人：西南大学
地址：400716 重庆市北碚区天生路216号
国籍：CN
代理机构：重庆弘旭专利代理有限责任公司
代理人：周韶红
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植物查尔酮异构酶的生物信息学分析雷桅;邹祥;向阳;汤绍虎;孙敏【期刊名称】《北方园艺》【年(卷),期】2008(000)002【摘要】采用生物信息学方法和工具对GenBank中的洋葱、豌豆、番茄和茶等植物的黄酮类化合物合成关键酶查尔酮异构酶(CHI)的核酸和氨基酸序列进行了比对、分析和建模,进而对其分子结构、理化性质、亚细胞定位、蛋白转运肽、跨膜结构域、疏水性、分子系统进化、蛋白质二级和三级结构等重要参数进行了预测和推理.结果表明:该类酶基因的全长包括5'、3'非翻译区和一个开放阅读框,无蛋白转运肽,且定位于细胞质基质,是一个疏水性蛋白,二级结构均以随机卷曲和α-螺旋为主要构件,洋葱和豌豆的CHI三维建模成功.【总页数】5页(P193-197)【作者】雷桅;邹祥;向阳;汤绍虎;孙敏【作者单位】西南大学,生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400715;西南大学药学院,重庆,400715;西南大学,生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400715;西南大学,生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400715;西南大学,生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400715【正文语种】中文【中图分类】Q946.5;Q558【相关文献】1.油橄榄查尔酮合酶与查尔酮异构酶基因全长的克隆及序列分析 [J], 陈文拴;黄乾明;陈华萍;杨泽身;王安逸;苏光灿2.鸳鸯茉莉查尔酮异构酶基因(CHI)cDNA的克隆与生物信息学分析 [J], 曹玉婷;邱栋梁3.植物查耳酮异构酶生物信息学分析 [J], 陈克克;武雪4.狗枣猕猴桃查尔酮异构酶1(AkCHI1)的生物信息学分析 [J], 刘丹; 李然红; 陈鑫; 王立凤5.石榴查尔酮异构酶生物信息学分析 [J], 陈川;凯迪日耶·玉苏普因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

黄酮类化合物合成途径及合成生物学研究进展黄酮类化合物是来源于植物的一类重要的次生代谢产物，具有抗癌、抗氧化、抗炎、降低血管脆性等多种药理作用。

黄酮类化合物的主要合成途径已经研究得比较清晰，即首先合成二氢黄酮类的柚皮素或松属素，然后进一步通过分支途径合成黄酮、异黄酮、黄酮醇、黄烷醇和花色素等。

黄酮生物合成途径的解析为其合成生物学研究奠定了基础。

利用合成生物学技术已成功在大肠杆菌或酵母中合成了黄酮类化合物，如柚皮素、松属素和非瑟酮等。

合成生物学研究为黄酮类化合物提供了新的来源，将进一步推动黄酮类药物和保健品的研发，使其在人类饮食和健康等领域发挥更大的作用。

标签：黄酮类化合物；合成途径；合成生物学Advance in flavonoids biosynthetic pathway and synthetic biologyZOU Liqiu1，WANG Caixia2，KUANG Xuejun1，LI Ying1，SUN Chao1*（1.Institute of Medicinal Plant Development，Chinese Academy of Medical Sciences and PekingUnion Medical College，Beijing 100193，China；2.Institute of Chinese Materia Medica，China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing 100700，China）[Abstract] Flavonoids are the valuable components in medicinal plants，which possess a variety of pharmacological activities，including antitumor，antioxidant and antiinflammatory activities. There is an unambiguous understanding about flavonoids biosynthetic pathway，that is，2Sflavanones including naringenin and pinocembrin are the skeleton of other flavonoids and they can transform to other flavonoids through branched metabolic pathway. Elucidation of the flavonoids biosynthetic pathway lays a solid foundation for their synthetic biology. A few flavonoids have been produced in Escherichia coli or yeast with synthetic biological technologies，such as naringenin，pinocembrin and fisetin. Synthetic biology will provide a new way to get valuable flavonoids and promote the research and development of flavonoid drugs and health products，making flavonoids play more important roles in human diet and health.[Key words] flavonoids；biosynthetic pathway；synthetic biologydoi：10.4268/cjcmm20162207黄酮类化合物（flavonoids）是植物特有的次生代谢产物，指2个苯环（A与B环）通过中央3个碳原子相互连接形成具有C6C3C6基本结构的一系列化合物[1]，由于这类化合物大多呈黄色或淡黄色，因此称为黄酮。