方潔 潘俊杰 程科軍 呂群丹


摘要 ? ?綜述了百合分子生物學的研究進展,主要包括4個方面,即百合基因組學、轉錄組學和蛋白組學的研究;百合遺傳多樣性分析和5種分子標記(RAPD、ISSR、SSR、AFLP、SRAP)的開發和利用;百合遺傳轉化體系的構建,包括農桿菌介導法、基因槍法、電激法和花粉管介導法;百合減數分裂基因、花發育基因及抗逆性相關基因的克隆和表達分析。最后指出了當前研究存在的問題,并展望了進一步研究的方向。
關鍵詞 ? ?百合;分子標記;遺傳轉化;基因克隆
中圖分類號 ? ?S644.1 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A
文章編號 ? 1007-5739(2020)12-0069-05 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(資源服務)標識碼(OSID)
A ?Review ?on ?Molecular ?Biology ?of ?Lily
FANG Jie ? ?PAN Jun-jie ? ?CHENG Ke-jun ? ?LV Qun-dan *
(Lishui Institute of Agriculture and Forestry Sciences, Lishui Zhejiang 323000)
Abstract ? ?This paper reviewed the following four aspects in lily molecular biology: research progresses of lily genomics, transcriptomics and proteomics; the development and utilization of five types of molecular markers including RAPD, ISSR, SSR, AFLP and SRAP in lily genetic diversity analysis; construction of lily transformation system including Agrobacterium mediated method, gene gun bombardment method, electroporation method and pollen tube pathway method; cloning and expression analysis of genes related to meiosis, flower development and stress resistance. Finally, the current research defects and prospects of lily molecular biology were summarized.
Key words ? ?lily; molecular marker; genetic transfomation; gene cloning
百合屬(Lilium)植物屬于百合科(Liliaeeae)多年生球根植物,集藥用、食用及觀賞于一體,具有極大的商業價值。我國是世界百合起源的中心,資源最為豐富,早在1 400多年前就有人工栽培的記載[1]。2015年版《中國藥典》中收載的百合為卷丹(Lilium lancifolium Thunb.)、百合(Lilium brownii F.E.Brown var. viridulum Baker)及細葉百合(Lilium pumilum DC.)的干燥肉質鱗葉,具有養陰潤肺、清心安神的功效[2],是常用的中藥處方配伍藥材。近年來,越來越多的學者從分子生物學層面上研究百合的生長發育和遺傳進化,以期為百合種質改良和高效栽培提供技術支持。基于此,本文對百合分子生物學的研究進展進行了總結,分析了當前存在的問題及今后的研究方向,為百合分子育種和優質新品種的獲得奠定了基礎。
1 ? ?百合遺傳物質解析
1.1 ? ?基因組學研究
百合的全基因組數據十分龐大(1C=36 Gb)[3],約為水稻的80倍[4],其重復序列較多,給測序及后續的組裝工作帶來了極大的難度,至今仍無法實現全基因組測序。
百合的葉綠體基因組大小通常處于120~170 kb之間,相對較為容易。先前已對青島百合[5]、垂花百合[6]、東北百合[7]和麝香百合[8]等的完整葉綠體基因組進行測序。隨后Kim等[9]對條葉百合、卷丹和朝鮮百合等的葉綠體基因組進行全測序,利用這4個新的葉綠體基因組與之前的已知序列進行比較,詳細描述了葉綠體基因組的特征,并鑒定出13個功能領域中的112個基因。
畢彧[10]對10個百合屬的物種進行了完整葉綠體基因組測序,鑒定了113個不同的基因。聯合搜索到的6個百合屬葉綠體基因組,分析結構特征,發現所有的基因排序順序一致,未發生基因重新排列現象;并且具有豐富的AT含量。利用生物信息學技術,鑒定出1 043個SSR位點及ycf1b、ycf1a、trn S-trn G、trn E-trn T-psb D等10個高變區域,可用于百合屬葉綠體基因組分子標記的開發。
1.2 ? ?轉錄組學研究
針對于不同的研究目的,目前已有不少關于百合屬轉錄組學的報道。作為深入開發百合SSR標記的重要方法和分析百合屬植物進化歷程的重要工具,最初是Shahin等[3]開展了百合屬及郁金香屬的轉錄組學研究,發現113個共有的SNP及292個EST-SSRs。隨后研究者通過岷江百合轉錄組測序來開發EST-SSR標記,鑒定出1 716個SSR位點,并對其中的494個位點進行了驗證[11]。Du等[12]通過對百合索爾邦6個組織進行轉錄組測序,挖掘出1 853個SSRs,并在32個百合基因型中進一步鑒定57個EST-SSR,其中有30個為功能已知基因。Biswas等[13]也同樣利用轉錄組的SSR信息來開發分子標記。
除了分子標記挖掘,轉錄組學主要還應用于花粉管發育[14]、花色形成[15]、鱗莖發生[16]和打破休眠[17]等方面。為了研究百合花色形成分子調控機制,Yang等[16]對百合Sorbonne進行了轉錄組研究,揭示了156個編碼類黃酮生物合成途徑關鍵酶的基因,并發現百合Sorbonne花的顏色形成主要受黃酮類生物合成途徑的控制[15]。利用組織學和轉錄組技術研究卷丹鱗莖的形成過程,發現卷丹的鱗莖從葉柄基部正面的腋下分生組織處啟動,淀粉的合成和積累可能會促進卷丹鱗莖的形成,生長素可能促進鱗莖的生成并進一步抑制其形成,細胞分裂素的高合成和低降解率可能會導致上部葉腋的形成。Huang等[17]研究了亞洲百合‘Ting ghost春化過程中的差異基因,利用qRT-PCR初步驗證了6個與春化過程相關的基因表達量,并進一步驗證了VRN1和VRN2這2個控制春化的基因。
1.3 ? ?蛋白組學研究
百合蛋白組學的研究報道相對較少。張 ?潔等[18]利用蛋白質雙向電泳技術分析百合小鱗莖抽薹前后的蛋白組表達差異,得到差異表達蛋白點21個。經研究發現,在百合抽薹過程中,主要是參與能量代謝、分子伴侶及脅迫誘導蛋白質的表達量受到調控,主要為抽薹過程準備能量,重新合成儲能物質,并應對低溫春化的生理反應。張藝萍等[19]以百合抗病和感病無性系為試驗材料,開展了百合抗尖孢鐮刀菌枯萎病的蛋白組學研究,鑒定得到25個差異蛋白質點,其中10個為未知功能的蛋白,其余15個可分為防御反應、光合作用、糖類及能量代謝相關蛋白和熱激蛋白4類。
2 ? ?百合分子標記和遺傳多樣性分析
分子標記是研究DNA分子由于缺失、插入、易位、倒位或由于存在長短與排列不一的重復序列等機制而產生多態性的技術。與傳統的形態標記相比,分子標記具有信息量大、不易受外界環境影響、重復性好等優點,應用于遺傳多樣性分析、資源評價、遺傳圖譜構建及種間親緣關系等方面[20]。目前,已在百合中應用的分子標記技術主要有隨機擴增多態性DNA(RAPD)、簡單重復序列區間(ISSR)、擴增片段長度多態性(AFLP)、簡單重復序列(SSR)、相關序列擴增多態性(SRAP)等技術(表1)。
最早是Lee等[21]利用RAPD技術對韓國的百合進行了分組。隨后Yamagishi等[22]和Persson等[23]采用RAPD標記分析了百合屬植物的種和種間雜種及歐洲百合種群間遺傳變異及群體間親緣關系。對青島百合復合種群中6個局部種群的遺傳多樣性開展了RAPD分析后,發現其多樣性指標與樣地的基本情況具有較強的相關性[24]。同時,研究發現RAPD也可用來區分百合栽培品種和野生種[25]。
在百合遺傳多樣性研究中運用較多的另一種分子標記為ISSR。Guo等[26]通過ISSR分子標記和形態學特征分析,發現青島百合具有較高的遺傳多樣性,其形態學特征和遺傳參數之間也存在較高的相關性。研究人員通過表型性狀、花粉形態和ISSR分子標記技術共同分析遺傳多樣性和百合種間的親緣關系,發現野生百合的遺傳多樣性高于栽培種[27]。肖 ?偉等[28]利用ISSR分子標記技術,對7個百合雜種系96個品種之間的遺傳多樣性和親緣關系進行了研究,最終將這7個百合雜種系分為兩大類。
其他的百合分子標記(AFLP、SSR和SRAP)報道較少。最初,Heusden等[29]運用AFLP建立了亞洲百合的連鎖圖,同時結合了BSA方法對百合抗Fusarium及抗TBV的基因進行了QTLs定位。柯賢鋒等[30]和雷家軍等[31]分別建立并優化了野百合和卷丹百合的AFLP反應體系,有利于開展遺傳多樣性的研究。相對而言,百合SSR標記的開發較晚。楊素麗等[32]基于EST信息建立了百合SSR標記。徐雷鋒等[33]利用20對SSR引物檢測到69個SSR等位位點和170個帶型,平均每對引物擴增3.45個等位位點、8.50個帶型。目前,利用SRAP分子標記僅對百合部分種及品種進行鑒定和遺傳多樣性研究[34]。
在遺傳多樣性研究中,也有涉及2種分子標記技術的研究。Yamagishi等[35]通過對亞洲百合進行RAPD和ISSR分析,多次試驗后均獲得相同的指紋圖譜,表明這2種分析方法都具有較高的穩定性。Arzate-Fern等[36]利用ISSR和cpDNA RFLP標記對日本境內的瀕危植物L. maculatum Thunb. var.bukosanense的2個群體進行了遺傳距離的計算,結果顯示這2個群體遺傳距離接近。迄今為止,大量的分子標記應用于百合的遺傳多樣性研究中,但其分子標記的高效利用受到了百合未知基因組的制約。
3 ? ?百合遺傳轉化體系構建
百合遺傳轉化體系的構建目前采用的方法主要有農桿菌介導法、基因槍法、電激法和花粉管通道法。農桿菌介導法是指將目的基因插入經改造的T-DNA區,通過農桿菌侵染植物傷口,從而實現外源基因向植物細胞的轉移與整合。由于單子葉植物不是農桿菌的天然寄主,限制了農桿菌介導法在百合屬植物上的應用。最初是Cohen等[37]將根癌農桿菌與鱗塊切段共培養后,在愈傷組織中檢測到外源基因的表達。Langeveld等[38]在1995年通過將百合“Harmony”試管苗莖尖和農桿菌的共培養首次證明單子葉百合屬也可以成為農桿菌的寄主。直到2003年Mercuri等[39]首次利用根癌農桿菌LBA4404將Rol基因轉至長花百合愈傷組織,成功培育出轉基因百合,轉化率約為0.5%。田菲菲等[40]將農桿菌介導的ACO-RNAi載體轉化至百合的胚性愈傷,通過優化超聲波等轉化條件,瞬時表達率和穩定表達率最高可達到88.90%和27.33%。雖然可以利用農桿菌介導法進行轉化,但遺傳轉化效率低,制約了百合轉基因育種的發展。
基因槍法是指利用高壓將帶有目的基因的微小金粒或鎢粒高速射入受體細胞,使目的基因進入細胞并整合到染色體組。Nishihara等[41]利用基因槍法將GUS基因導入百合花粉,并通過組織化學染色法檢測到GUS的瞬時表達。Van der Leedge-Plegt等[42]用基因槍法將NTPⅡ基因導入百合花粉,授粉雜交后得到3株陽性植株,PCR檢測顯示外源基因已整合到百合植物中。Irifune等[43]也用該方法將編碼PAT的基因導入百合鱗莖分化出的愈傷組織,并獲得具有除草劑抗性的轉基因再生植株。師守國等[44]以蘭州百合鱗片為受體,轉入DHAR基因的轉化率可達到1.5%。
電激法是指利用高壓電脈沖作用,在原生質體膜上穿孔從而促進外源DNA進入的轉導方法。Miyoshi等[45]利用電激法將GUS基因導入百合的原生質體,得到瞬時表達。Wu等[46]將GUS和GFP基因直接導入百合,并在鱗片組織中發現瞬時表達。由于百合原生質體的再生體系不完善,鮮有這方面的文獻報道。
花粉管通道法是利用花粉作為外源DNA的媒介,直接通過授粉受精獲得轉基因種子。杜捷[47]利用花粉管通道法將其他百合品種的總DNA轉至蘭州百合中,發現滴加的DNA溶液中性,濃度為50 μg/mL時結實率較高。李 雙等[48]選擇常規授粉后0 h涂抹攜帶外源基因的菌液,獲得種子后檢測發現外源基因成功整合到百合基因組中。
4 ? ?百合功能基因的克隆和機理研究
目前,克隆基因的方法主要分為2類,對新基因的克隆常用插入片段標簽法和圖位克隆法;對已知基因的克隆通常采用同源基因克隆法和篩選文庫法。百合上克隆的基因一般利用同源基因克隆法或篩選文庫法獲得,主要包括減數分裂、花發育和抗逆性相關基因。
4.1 ? ?百合減數分裂相關基因
減數分裂是真核生物有性生殖過程中的關鍵環節,不僅可保證生物種染色體數穩定,也可使物種適應不同環境變化時不斷進化。由于麝香百合雄性配子體(小孢子細胞和花粉粒)親緣性強,花藥內孢子細胞間同步發育,幾十年來一直被用來研究減數分裂[49]。最早是Kobayashi等[50]從麝香百合中分離出18個與減數分裂相關的cDNA片段。這些片段被命名為LIM基因,其中LIM15基因與已知基因RecA、RAD57和DMC1/ISC2相似,其產物與百合減數分裂的染色體聯會和重組有關[51-52]。
2003年,Morohashi等[53]發現,麝香百合的LISCL基因主要在減數分裂前期的花藥中表達,且與減數分裂相關基因的啟動子活性密切相關。同年,Morita等[54]在研究轉基因水稻的轉座子標記系統時,利用百合減數分裂基因的啟動子LIM10和LIM18指導GUS基因在花藥和體細胞內表達。Mu等[55]構建了百合花粉母細胞發育不同階段的花藥EST文庫,發現文庫中的LimHSP16.45可能作為分子伴侶保護花粉母細胞和絨氈層細胞在減數分裂前期免受極端溫度的影響。
4.2 ? ?百合花發育相關基因
4.2.1 ? ?百合花型相關基因。Tzeng等[56]以麝香百合為材料,通過同源基因克隆法得到百合的LMADS1基因。百合的LMADS1基因與擬南芥的AP3類基因高度同源,但表達模式不完全相同,同時酵母雙雜試驗和轉基因擬南芥的表型表明了LMADS1-MADS能與擬南芥的PI蛋白互作形成異源二聚體,使其不能有效調節下游基因,推測LMADS1可能代表B功能基因的一種祖先形式,保留了在百合花瓣和雄蕊發育中形成同源二聚體的能力。而LMADS1的C端區域對B功能蛋白同源二聚體的形成起著重要的作用[57]。隨后,TZeng等[58-59]以相同的方法在麝香百合中克隆得到LMADS2、LMADS3和LMADS4基因。LMADS2基因主要在胚珠表達,在柱頭中有微弱表達。轉基因擬南芥表現出提早開花,不確定性減少花序,通過誘導萼片同源轉化為心皮狀結構,可觀察到柱頭乳突和胚珠。此外,第二輪花瓣轉化為雄蕊狀結構。可見,LMADS2是百合的D功能基因。LMAD3和LMAD4是百合的2個SEP基因,推測為E基因,在花分生組織、花芽生長各個階段、花器官中都有表達,其中LMADS4基因還在花序組織和葉片中表達。
Benedito等[60]通過篩選麝香百合發育中花芽的cDNA文庫,得到LLAG1基因,該基因與單子葉植物的AG基因高度同源,僅在雄蕊和心皮中表達,構成ABC模型的C結構域。吳小萍等[61]克隆得到LLGLO1基因,通過RT-PCR檢測,該基因在百合花器官、心皮和莖中均有表達,且隨著心皮的發育成熟,其表達強度逐漸增加。該基因在百合第一輪花器官中的表達量變化支持了van Tunen對ABC模型的修正[62]。隋娟娟等[63]利用RACE法從重瓣百合中克隆得到LiSEP3基因,發現該基因屬于E類基因,主要在花中表達,在最內側的花瓣中表達量最高,與雙子葉植物花中SEP3基因的表達模式不同。
4.2.2 ? ?百合花色相關基因。花青苷是植物種主要的花色素,查爾酮合成酶(chalcone synthase,CHS)是花青苷合成途徑的限速酶,目前關于百合查爾酮合成酶基因的研究報道較多。Nakatsuka等[64]從亞洲百合中克隆了3個CHS基因和1個DFR基因,在花青苷著色的部位有表達,表明這幾個基因都參與了花青苷的生成。楊 ?麗等[65]從東方百合中分離到1個查爾酮合成酶基因,命名為Ychs-1。化占勇[66]為了研究百合查爾酮合成酶基因(LCHS2)對花色的調控影響,利用RNA干擾技術轉化矮牽牛,發現轉基因植株中出現了鑲嵌型、馬賽克型和中間型這3種花色類別,并且花青苷的含量也降低了。
Yamagishi等[67]從亞洲百合上分離到2個與花青苷合成相關的基因——LhMYB6和LhMYB12,研究發現,這2個基因可與LhbHLH2蛋白相互作用,通過共同表達來激活花青苷合成基因的轉錄。通過在百合鱗莖上過表達也表明LhMYB6和LhMYB12基因正調控花青苷的生物合成,并決定了花青苷在器官和組織中的特異性積累。
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