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石榴分子生物学研究进展

2016-10-13苑兆和

落叶果树 2016年5期
关键词:花青木质素石榴

苑兆和

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学林学院,江苏南京 210037)



石榴分子生物学研究进展

苑兆和

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学林学院,江苏南京 210037)

石榴栽培历史悠久,是重要的经济林木,是古老的药用果树。果实富含抗氧化功能物质,临床医用和保健价值高,被誉为超级水果。石榴遗传资源丰富,为育种工作提供大量素材。笔者对石榴的品质发育,包括安石榴苷代谢、花青苷代谢和木质素代谢进行综述,对遗传多样性研究进行评述,并对NGS时代石榴分子生物学研究进行展望。

石榴;安石榴苷;花青苷;木质素;遗传多样性

石榴(Punicagranatum)是千屈菜科(Lythraceae)石榴属(PunicaL.)落叶果树[1],起源中亚,是古老的保健水果,被誉为超级水果[2,3]。栽培历史悠久。石榴适应性强,在世界范围内广泛栽培,被划为国家规划特色经济林树种之一[4]。石榴果实富含花青苷、黄酮、安石榴苷等多酚类物质,特别是安石榴苷等鞣花单宁类物质临床医用和保健价值高,具有潜在的抗氧化、抗癌、抗菌等功能[5,6]。石榴果皮中,鞣花单宁类物质含量较高。Han等[7]通过高效液相色谱法(HPLC)测定,发现果皮中安石榴苷含量高达4.821mg/g,是果汁中含量的约15倍,籽粒中含量的30倍。随着果实发育成熟,安石榴苷含量逐渐降低,说明其代谢途径中降解能力高于合成能力。对于安石榴苷等鞣花单宁类物质分子代谢通路研究,目前进展缓慢,只克隆到合成前期少数几个基因[8]。石榴果实色泽发育是研究最深入的方向,目前已克隆到完整的花青苷代谢通路基因[8-10]和转录调控基因[11],并进行拟南芥转化验证,但尚缺乏对籽粒着色研究以及环境因素对MBW复合物调控果实着色影响的研究。籽粒软硬度是重要的经济性状,与木质素代谢相关。张水明等[12]、曹丹琴等[13]分别克隆了石榴籽粒木质素合成途径的关键基因和转录调控因子。石榴耐盐碱能力强,是海滨绿化优良树种。彭媛媛等[14]克隆并验证了石榴耐盐相关基因GPX。对各种性状的研究是为品种改良和育种做铺垫,而收集与评估种质资源是育种的前提。世界各国对石榴种质资源的研究最多,通过分子标记技术评估区域资源遗传多样性[15-19]。本课题组开展石榴全基因组测序项目,将为世界石榴分子遗传学、分子代谢研究、发育生物学研究和生物信息学提供大数据支持,进一步推动石榴分子生物学研究。笔者对石榴品质发育,包括安石榴苷代谢、花青苷代谢和木质素代谢进行综述,对遗传多样性研究进行评述,并对NGS(Next Gegeration Sequencing,二代测序或高通量测序)时代石榴分子生物学研究进行展望。

1  石榴品质发育研究

1.1安石榴苷分子代谢通路研究

石榴是一种抗氧化能力极强的水果,果实抗氧化剂总浓度11.33mmol/100g,是蓝莓(Vaccinumcorymbosum)的3.11倍,甜橙(Citrussinensis)的9.94倍,苹果(Maluspumila)的39.07倍[20]。石榴抗氧化能力与总酚含量呈极显著正相关(R2 = 0.90,P < 0.01),其中鞣花单宁类物质含量最高[5],如安石榴苷(Punicalagins)、石榴皮鞣素(Punicalins)、Gallagic acid具有显著的抗氧化、预防心血管疾病、抗癌、抗菌、抗感染、抗糖尿病等诸多功效,临床医学价值高。在市场消费的水果中,石榴拥有最高浓度的安石榴苷[21],它是已知分子量最大的酚类物质,可降解为鞣花酸,每个分子内有16个酚式羟基,是抗氧化性最强的酚类物质,也是石榴果实中最主要的酚类物质[2,6]。

安石榴苷是鞣花单宁代谢途径的中间产物,鞣花单宁途径上游与莽草酸途径上游共用[22](图1)。在植物质体中,磷酸烯醇式丙酮酸和赤藓糖-4-磷酸在3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶(3-deoxy-D-arabinoheptulosonic acid-7-phosphate synthase,DAHPS)催化下合成3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸(DAHP)。基于序列相似性,DAHPS分为两类:I类包含AroF、AroG、AroH、CM-DAHPS;II类包含芳香氨基酸(aromatic amino acids,AAAs)结合元件,植物中DAHPS属此类型[22]。I类基因在植物进化过程中缺失[23]。在拟南芥、番茄、土豆和石榴中均分离到DAHPS基因。

3-脱氢奎尼酸合成酶(3-dehydroquinic acid synthase,DHQS)用Co2+和NAD+将DAHP合成3-脱氢奎尼酸,然后在3-脱氢奎尼酸脱氢酶(3-dehydroquinic acid dehydratase,DHQD)作用下生成3-脱氢莽草酸(3-dehydroshikimic acid,DHS)[23]。在鞣花单宁途径[24,25]中,DHS 在莽草酸脱氢酶(shikimate dehydrogenase,SD)催化下生成没食子酸。在细胞质中,没食子酸在 UDP 葡糖基转移酶(UDP-glucose:gallate glucosyltransferase,UGT)作用下生成β-葡萄糖没食子鞣苷(β-glucogallin)[26,27]。β-葡萄糖没食子鞣苷在 β-葡萄糖没食子鞣苷O-没食子酰基转移酶(β-glucogallin O-galloyltransferase,GLUG)作用下,生成二没食子酰葡萄糖(digalloylglucose)。二没食子酰葡萄糖在没食子酰基转移酶(Galloyltransferase,GALT)作用下经多次酶促反应,生成五没食子酰葡萄糖(pentagalloylglucose)。五没食子酰葡萄糖在五没食子酰葡萄糖氧化还原酶(Pentagalloylglucose oxygen oxidoreductase,POR)作用下合成鞣花单宁[2]。在石榴安石榴苷分子代谢机制研究中,目前主要集中在部分关键基因的克隆与分析,对UGT基因进行亚细胞定为分析[26],通过转录组测序技术(RNA-seq)挖掘相关结构基因[8]。

图1 石榴鞣花单宁合成途径简图

1.2花青苷代谢分子机理研究

石榴果实色泽是重要的市场经济性状,表皮颜色主要由花青苷类型与含量决定[11, 28, 29]。花青苷是植物液泡中可溶性色素,依赖pH变化而呈现红色、紫色和蓝色,是果肉[30]、果皮[31]、花[32]、叶[33]中的主要色素。花青苷在果实成熟阶段大量积累,是果实成熟的重要指标[34],表现为不同颜色,吸引昆虫觅食[35]。另外花青苷可以抵御生物胁迫与非生物胁迫[36]。

花青苷是类黄酮生物合成途径花青苷分支的重要产物之一[37,38]。如图2所示,香豆酰辅酶A在查尔酮合成酶(chalcone synthases,CHS)的作用下合成查尔酮,然后在查尔酮异构酶(chalcone isomerase,CHI)的作用下合成柚皮素。在类黄酮3羟化酶(flavonoid 3-hydroxylase,F3H)、类黄酮3’羟化酶(flavonoid 3’-hydroxylase,F3’H)和类黄酮3’5’羟化酶(flavonoid 3’5’-hydroxylase,F3’5’H)的催化下合成二氢黄酮醇,在二氢黄酮醇4还原酶(dihydroflavonol 4-reductase,DFR)的作用下合成无色花青素,然后在花青素合成酶(anthocyanidin synthase,ANS)和无色花青素加双氧酶(leucoanthocyanidin dioxygenase,LDOX)的作用下合成花青素。在尿苷二磷酸葡萄糖类黄酮糖苷转移酶(UDPG-flavonoid glucosyl transferase,UFGT)的催化下合成花青苷,在氧位甲基转移酶(O-methyltransferase,OMT)的催化下合成氧位甲基化的花青苷[39]。

图2 花青苷代谢途径 (图片引自招雪晴博士学位论文[38] )

在石榴着色基因组学和转录组学研究方面,发现转录调控因子MBW(MYB-BHLH-WD40)复合物是影响果皮着色的主要因子。Ono等[8]首次通过RNA-seq技术在转录组水平构建了石榴花青苷代谢通路。目前已在石榴果皮中克隆到花青苷途径全部结构基因[10,40]和转录调控因子MBW复合物。[11,29]Khaksar等[11]在黑皮石榴中发现PgMYB转录水平与果实色泽度呈正相关,猜测该基因可以提高花青苷积累量。红皮石榴花青素衍生物含量与PgWD40 表达量呈正相关,PgWD40转录水平与PgDFR和PgLDOX表达水平呈正相关,而且这三种基因与PgMYB和PgbHLH表达水平也呈正相关[29]。Rouholamin等[9]通过实时荧光定量逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)验证MBW基因表达水平,发现PgBHLH在白皮和绿皮石榴中表达量最高,在红皮和黑皮石榴中最低;PgMYB在绿皮石榴中累积表达最大,在红皮中最小;PgDFR基因在黑皮石榴中表达量最高,在白皮石榴中表达最低。Ben-Simhon等[41]在白皮石榴中发现PgLDOX基因编码区插入片段导致白皮中无花青苷积累。此外,Harel-Beja等[17]构建了石榴高密度遗传图谱,通过数量性状位点(QTL)技术关联分析果实性状,共得到5个籽粒着色相关位点(aril color 1-1、aril color 1-2、aril color 2-1、aril color 3-1和aril color 5-1)。

在蛋白组学方面,目前发现细胞色素b6-f复合体(sport 0013)、叶绿素 a/b 结合蛋白(sport 5108)和果糖激酶2-like(sport 0503)可能与果皮颜色变化相关;半胱氨酸合酶1(sport 1402)可能对提高石榴的抗氧化胁迫能力起到了重要作用[42]。

1.3木质素分子合成途径研究

石榴籽粒软硬程度是重要的果实品质,软籽石榴价值高,需求量大。籽粒软硬度涉及木质素代谢过程。木质素是储存在特殊细胞细胞壁中的多酚聚合物。植物进化中木质素的出现,与泥盆纪时期(Devonian)维管植物的出现一致。木质素的合成与物种类型、发育时期和细胞类型相关。在不同细胞类型分化中或应对特殊环境变化时,细胞壁出现木质化。木质素在正确时间储存在不同类型细胞中,是植物适应环境和行使功能所必需。种子发育过程中,珠被会分化成由特殊细胞组成的不同细胞层,用于保护种皮或外种皮。种皮细胞发育成木质化次生细胞,以强化外种皮表面。

木质素单体前体是由苯丙氨酸在质体中合成[43](图3)。肉桂酸在肉桂酸-4-羟化酶(cinnamate 4-hydroxylase,C4H)催化下合成对香豆酸,然后在4-香豆酰辅酶A连接酶(4-coumarate:CoA ligase,4CL)催化下合成4-香豆酰辅酶A。对羟化肉桂酰基辅酶A:奎尼酸/莽草酸对羟化肉桂酰基辅酶A转移酶(p-hydroxycinnamoyl-CoA:quinate/shikimate p-hydroxycinnamoyltransferase,HCT)催化4-香豆酰辅酶A合成对羟化肉桂酰基奎尼酸/莽草酸。咖啡酰奎尼酸/莽草酸在对香豆酸3-羟化酶(p-coumarate 3-hydroxylase,C3H)催化下由对羟化肉桂酰基奎尼酸/莽草酸合成,然后在HCT催化下合成咖啡酰辅酶A。咖啡酰辅酶A在咖啡酰辅酶A 氧位甲基化转移酶(caffeoyl-CoA O-methyltransferase,CCoAOMT)催化下合成阿魏酰辅酶A,在肉桂酸辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoA reductase,CCR)催化下合成咖啡酰乙醛。咖啡酰乙醛在肉桂酸醇基脱氢酶 (cinnamyl alcohol dehydrogenase,CAD)催化下合成咖啡酰乙醇,然后在咖啡酸氧位甲基化转移酶(caffeic acid O-methyltransferase,COMT)催化下合成松柏醇。松柏醇先后在阿胃酸5-羟化酶(ferulate 5-hydroxylase,F5H)和COMT催化下合成芥子醇。松柏醇在尿苷二磷酸-葡萄糖基转移酶(UDP-glucosyltransferase,UGT)催化下合成木质素G单元,芥子醇在UGT催化下合成木质素S单元。

图3 木质素合成途径 (引自Jaime Barros et al.[43])

COMT是木质素途径下游酶,实时荧光定量 PCR 分析表明,PgCOMT在‘红玉石籽’、‘粉皮’、‘会理软籽’、‘蒙自甜’和‘突尼斯软籽’石榴种皮中的相对表达量与石榴籽粒硬度较为一致;随着石榴种皮的发育其表达量先下降后上升[12]。曹丹琴等[13]克隆了石榴种皮木质素合成相关转录因子基因PgMYB,并进行表达分析。

2 遗传多样性研究

2.1分子标记开发与应用

目前在石榴遗传多样性研究中使用的分子标记有:AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphisms,扩增片段长度多态性)[44-49]、SNP(Single-Nucleotide Polymorphism,单核苷酸多态性)[17,50]、SSR(Simple Sequence Repeats,简单重复序列)[51]、ISSR(Inter Simple Sequence Repeat,简单重复序列间隔)[18]、RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA,随机扩增 DNA 多态性)[52]、随机扩增微卫星多态性(Random Amplified Microsatellite Polymorphism,RAMP)[53]、SRAP(Sequence Related Amplified Polymorphism,序列相关扩增多态性)[54]和DNA条形码技术[15]。RAMP适合对遗传背景模糊的物种进行遗传分析。在第二代标记技术中,AFLP相较于其他标记可以扫描全基因组,多态性高、可重复性好,但操作复杂。SNP是第三代分子标记技术,基于PCR扩增和序列测序,探测范围广,多态性更高,操作简单。各种标记技术,在石榴种质资源遗传多样性、遗传图谱等方面应用广泛(表1)。

2.2石榴遗传资源特点

石榴起源中亚,适应性强,分布广。世界石榴遗传多样性丰富,总体分为两大类群。Ophir等[50]使用SNP标记对采自以色列、印度、伊朗、中国、美国、土耳其、西班牙、地中海地区等106个石榴栽培品种进行遗传多样性分析,发现中国、印度和伊朗地区的石榴品种和不可食用观赏石榴Nana聚为G1,其它地区石榴聚为G2。G2组分为2个亚组:G2.1包含Wonderful相关品种,G2.2又分为2个次亚组(G2.2.1和G2.2.2)。起源地中海流域、中亚和卡利福尼亚地区的石榴聚为G2.2.1。G2.2.2可能是杂交群体,如‘早红甜’石榴具有深红色皮和籽、甜度高和软籽粒优良性状。石榴两大组分类也与地区分布相关(图4)。此外,Al-Sadi等的研究也支持地理起源证据。阿曼位于石榴两大中心起源地也门和伊朗之间,是重要的石榴产区。Al-Sadi等[44]运用AFLP标记技术对5个阿曼地区的石榴品种、5个伊朗品种、1个也门品种、1个印度品种、1个黎巴嫩品种和1个西班牙品种进行遗传多样性分析,发现这些品种可能拥有共同起源,在过去国际贸易中引种传播。

图4 世界石榴遗传群体分布图(引自Ophir等[50])

虽然对世界石榴栽培品种遗传多样性研究较多,但对野生群体的研究较少。Singh等[51]使用SSR标记对印度地区51个野生石榴品种和37个栽培品种进行遗传多样性分析,发现栽培群体与喜马拉雅山麓处自然生长的群体亲缘关系更近。该研究补充了世界石榴野生群体与栽培群体间亲缘关系的空白,为石榴育种提供了宝贵的资料。

中国是石榴栽培最多的国家之一,苑兆和研究团队[2]依据石榴产区地理、气候及生态条件,将石榴栽培区划分为山东栽培区、河南栽培区、安徽栽培区、陕西栽培区、四川栽培区、新疆栽培区、云南栽培区和河北栽培区。Yuan等[55]利用荧光标记 AFLP对中国山东、安徽、陕西、河南、云南和新疆 6 个栽培石榴群体的 85 个品种类型进行遗传多样性研究,发现群体间的遗传分化系数为0.2018,群体间的遗传多样性依次为河南群体>新疆群体>陕西群体>安徽群体>山东群体>云南群体。

此外,石榴高密度遗传图谱的建立将为分子辅助育种提供平台。Harel-Beja等[17]通过SNP标记技术构建了首张高密度石榴遗传图谱,并通过QTL技术关联分析果实大小、风味、色泽和籽粒软硬度等果实品质性状。Singh等[51]鉴定了4个与果实重量、酸度、白叶枯病性状的关联标记。

3 展望

NGS时代,基因组和转录组测序技术应用越来越多,石榴分子生物学研究将会达到新的高度。苑兆和研究团队完成了石榴全基因组测序项目,为深入研究石榴功能基因提供大数据支持,将有力推动世界石榴分子生物学研究。

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2016-06-30

国家自然科学基金项目(31272143);南京林业大学高层次人才科研启动基金(GXL2014070);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX16_0857);南京林业大学优秀博士学位论文创新基金项目; 江苏省高校优势学科建设工程项目(PAPD)。

苑兆和(1963-),男,山东招远人,教授,博士生导师,研究方向为经济林培育与分子生物学研究。E-mail: zhyuan88@hotmail.com

S665.4

A

1002-2910(2016)05-0001-08

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