郭冰冰 代龍軍 楊洪 趙溪竹 王立豐
摘? 要:排膠是巴西橡膠樹( Muell. Arg.)樹皮乳管細胞中膠乳采收的重要環節,與天然橡膠的生物合成、膠乳再生、割膠技術、韌皮部膨壓等眾多因素相關,占生產成本的60%以上。近年來,天然橡膠異戊二烯途徑合成與調控機制、膠乳診斷指標、乳管傷口堵塞和過度排膠導致的死皮發生和修復機理等領域均取得了重要進展。本文從天然橡膠生物合成和膠乳再生、乳管傷口堵塞、排膠影響因素、排膠生理與分子機理4個方面總結了排膠領域的研究現狀,并結合新技術持續引入排膠研究領域的最新進展,展望了橡膠樹排膠機理研究發展趨勢和應用,為橡膠樹排膠機制研究提供理論依據,亦為新型高效安全刺激技術研發提供指導。
關鍵詞:巴西橡膠樹;排膠;調控;進展中圖分類號:S794.1 ?????文獻標識碼:A
Research Progress on Mechanism and Regulation of Latex Flow in Muell. Arg.
GUO Bingbing, DAI Longjun, YANG Hong, ZHAO Xizhu, WANG Lifeng
Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Rubber Tree, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / State Key Laboratory Incubation Base for Cultivation & Physiology of Tropical Crops / Danzhou Investigation & Experiment Station, Tropical Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China
Latex flow, one of the most important parts in the latex harvesting from laticifer cells of rubber tree’s bark, is related to natural rubber biosynthesis, latex regeneration, rubber tapping technology, phloem turgor pressure and many other factors, accounting for 60% of production costs. In recent years, important progress has been made in the synthesis and regulation mechanism of natural rubber (isoprene) biosynthesis pathway, latex diagnostic indexes, laticifer wound plugs mechanism and tapping panel dryness (TPD) occurrence and repair mechanism caused by excessive tapping. In this paper, we summarized the current situations including natural rubber biosynthesis and latex regeneration, laticifer wound plugs, factors influenced latex flow as well as physiological and molecular biological mechanisms of latex flow. Furthermore, combining with the continuous introduction of new technologies into the research field of rubber latex flow, the development trend and application of rubber tree latex flow mechanism were prospected, which provided theoretical basis for rubber tree latex flow mechanism research and guidance for the development of new efficient and safe stimulation technology.
Muell. Arg.; latex flow; regulation; progress
10.3969/j.issn.1000-2561.2022.04.012
天然橡膠(natural rubber)主要是由橡膠樹生產的一種不可替代、具有高價值的高分子量生物聚合物,具有許多合成橡膠不具備的特性,可用于生產包括輪胎和醫用手套在內的約5萬種橡膠產品,對運輸、醫藥和國防等行業至關重要。世界上有超過2500多種植物可生產天然橡膠,目前只有以無性系、芽接苗、組培苗和轉基因苗等種植生長在熱帶亞熱帶膠園的巴西橡膠樹( Muell. Arg.)是天然橡膠的唯一商業來源。我國的橡膠主要種植在海南、云南和廣東等省份的熱帶及亞熱帶地區,隨著對天然橡膠需求的日益增長,有效提高橡膠產量和品質在橡膠樹產膠研究中愈發重要。橡膠樹依靠自身的乳管系統進行產膠,乳管分布在橡膠樹樹皮內側,是由薄壁細胞組成的膠乳合成和儲存場所。膠乳由橡膠粒子、C-乳清和黃色體組成,其中橡膠粒子是最主要的構成成分,占30%40%。C-乳清是乳管細胞的胞質,與細胞代謝有直接的關聯。黃色體含有大量蛋白質,二價陽離子和酶可保證膠乳處于平穩狀態。排膠即橡膠樹乳管割斷和機械損傷后膠乳溢出的過程。膠乳從乳管中流出的速度由急至緩,最后停止排膠,每次每株樹可收集到數量不等的膠乳,排膠持續時間是決定橡膠產量的關鍵因素之一。排膠是巴西橡膠樹膠乳采收的重要環節,占生產成本的60%,是橡膠產業提質增效的關鍵環節。近年來,天然橡膠異戊二烯途徑合成與調控機制、膠乳診斷指標、乳管傷口堵塞、死皮發生和修復機理等領域均取得了重要進展。本文從天然橡膠生物合成和膠乳再生、乳管傷口堵塞、排膠影響因素和排膠生理與分子機理4個方面總結了排膠領域的研究現狀,并結合新技術持續引入排膠研究領域的最新進展,展望了橡膠樹排膠機理研究發展趨勢和應用,為橡膠樹排膠機制研究提供理論依據,也為新型高效安全刺激技術研發提供指導。
天然橡膠生物合成和膠乳再生
天然橡膠主要由順式-1,4-聚異戊二烯組成。天然橡膠的生物合成主要包括異戊烯基焦磷酸(isopentenyl diphosphate,IPP)的合成、聚異戊二烯基焦磷酸鏈的延伸、橡膠分子的合成3個過程。植物通過細胞質的甲羥戊酸途徑(MVA)及質體中的甲基赤蘚糖醇途徑(MEP)合成IPP。DMAPP(dimethylallyl diphosphate)是IPP由異戊烯基焦磷酸異構酶(IPPI)催化形成的,二者可相互轉化。DMAPP和IPP通過轉酰基轉移酶(TPTs)催化形成異戊二烯類化合物牻牛兒焦磷酸(geranyl diphosphate,GPP)、法尼基二磷酸(farnesyl diphosphate,FPP)、牻牛兒基牻牛兒焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate,GGPP)。這些異戊二烯焦磷酸短鏈可激活IPP的聚合。在橡膠轉移酶(HRT/cPT酶)、橡膠延伸因子(REF)、小橡膠粒子蛋白(SRPP)的共同作用下,IPP與異戊二烯類化合物結合在一起形成橡膠。
膠乳是對橡膠樹進行割膠時從乳管細胞中流出的細胞質,包含各種細胞器和粒子,同時排出的還有合成橡膠烴的糖、有機酸、各種核酸和酶等。影響膠乳產量的主要因素是排膠時間和膠乳再生能力。乳管細胞的再生能力是橡膠樹產量的決定性因素,是指在2次割膠期間乳管細胞通過代謝活動補充流失組分的過程,其中包括天然橡膠高分子量的合成及蔗糖的供給和利用。蔗糖是乳膠再生過程中主要的能量和物質來源。在膠乳再生初期,需要大量的能量物質提高膠乳中的糖代謝,保證膠乳的再生及橡膠的合成。其中蔗糖轉運蛋白對糖的供給和利用、脅迫與防御反應、激素信號在乳膠再生調控中起重要作用。
乳管堵塞
排膠是橡膠樹受到機械損傷刺激后的創傷反應過程。橡膠樹皮的乳管細胞受到機械損傷后,因損傷處壓力為零而乳管細胞內膨壓很大(10~ 15?Mpa),從而造成膠乳從乳管細胞胞質向損傷口方向溢出的初動力。排膠初期會發生黃色體破裂,釋放大量正電荷離子和凝集物質來固化膠乳,同時隨著膠乳流出乳管周圍的薄壁細胞中的水分會滲入乳管細胞,使膠乳稀釋再次加大排膠動力維持排膠過程。留在乳管細胞內的線粒體、細胞核等細胞器重新合成新的膠乳,為二次割膠做準備。經過一段時間的膠乳流出后,損傷處會被凝固蛋白質網堵塞停止排膠,排膠停止24 h后在傷口堵塞處發現橡膠凝塊。排膠停止的主要原因是損傷口的堵塞,關于堵塞的假說目前有3種:酶假說、靜電中和假說和凝集假說。其中“酶假說”認為黃色體中的酸性水解酶和氧化還原酶、F-W復合體中的酚氧化酶、黃色體中的過氧化物酶及D型磷脂酶的酶促反應機制參與橡膠粒子的凝集引起膠乳堵塞,但該假說的實驗證據較貧乏;橡膠粒子表面帶負電荷,是膠乳穩定的主要原因,“靜電中和假說”認為黃色體破裂釋放正電荷物質與橡膠粒子表面的負電荷凝集引起膠乳堵塞;目前比較傾向的假說是 “凝集假說”,該假說認為黃色體破裂釋放一種凝集素——橡膠素,橡膠素使橡膠粒子結合在一起,但幾丁質酶通過水解N-乙酰氨基葡萄糖破壞橡膠素與橡膠粒子的結合來抑制膠乳凝固。最近,我國學者在乳管堵塞物主要成分蛋白質網的研究中發現橡膠粒子、幾丁質酶和Hev b蛋白在乳管傷口堵塞物形成中具有重要作用,揭示了乳管傷口堵塞物形成的機制。
排膠影響因素
天然橡膠產量和品質與膠乳中的化學成分有很大關系,膠乳中化學成分受很多因素的影響,主要為品種、季節氣候、刺激措施、死皮影響、逆境及病蟲害等。
氣候因素
氣候和膠園物候會引起排膠產量的顯著差異。劉少軍等研究發現橡膠生產易受氣候變化的影響,海南橡膠種植區的年平均凈初級生產力整體高于廣東,廣東整體高于云南,為評估未來氣候變化對橡膠樹產膠能力影響提供技術保障。物候條件是橡膠樹產膠隨季節變化的主要原因,在云南地區,4月份橡膠樹膠乳干膠產量最大,然后下降;到了7—9月份氣溫回升,干膠產量有所回升,隨后因為氣溫的降低膠乳的干膠質量分數呈直線下降趨勢。在海南地區,平均在5月、7—8月、10—11月形成產量高峰。因此,生產中割膠技術和制度應隨著氣象因素變化進行相應調整。
? 品種因素
橡膠樹不同品種、品系間排膠特性存在顯著差異。在傳統割膠無刺激條件下,‘熱試99-2’‘熱試99-5’‘熱試99-6’‘熱試99-8’‘熱試99-9’和‘熱試99-10’的膠乳產量較高,且生理狀況良好;‘熱試99-4’‘熱試99-3’‘熱試99-1’和‘熱試99-7’的膠乳產量較低且生理狀況較差,其中‘熱試99-10’的排膠速度最快,達0.88 mL/min;‘熱試99-4’的排膠速度最慢,只有0.26 mL/min;‘熱試99-1’膠乳中的平均蔗糖含量最低,而‘熱試99-4’膠乳中的蔗糖含量最高。橡膠樹品系‘GT1’較‘云研77-2’‘云研77-4’‘PR107’和‘RRIM600’的干膠產量是最高的。王岳坤等以‘PR107’‘熱研73397’‘熱研879’為研究對象,發現‘熱研879’乳管蔗糖代謝活躍程度最高,乳膠產量最高,‘熱研73397’次之,‘PR107’最小。
?刺激因素
目前,我國使用的割膠技術有常規割膠和乙烯刺激割膠技術2種。乙烯刺激割膠技術包括常規刺激(乙烯利)和氣刺微割。乙烯對橡膠樹的高效增產作用是在1968年發現的,現已在天然橡膠的生產中得到了廣泛應用。乙烯引起橡膠樹膠乳產量顯著增加的一個重要原因是乙烯可延長排膠時間。許聞獻等研究指出在一定范圍內,乙烯濃度越高,促排膠效果最好,但產生的慣性刺激也越大,嚴重時可致乳管完全喪失排膠能力,在生產上造成非常大的損失。莊海燕等研究也發現乙烯利刺激產膠是因為延緩了乳管內的堵塞現象,大幅提高乳管內蔗糖的利用率,加速水分及養分的吸收,刺激橡膠乳管細胞內的生物合成,加速產膠和排膠。氣刺微割是采膠時割線長度小于等于5?cm,并結合乙烯氣體刺激的一種新型割膠技術。氣刺微割最開始是1995年在馬來西亞推廣用于生產,較傳統割膠技術更安全,操作要求低,可有效延長橡膠樹的經濟壽命。氣刺微割與常規乙烯利處理相比,雖然產膠量有所減少,但株次產量明顯增加,干膠含量相當,樹皮損耗較小,死皮發生率降低,割膠速度更快,可有效節約人工成本。可針對不同樹齡的橡膠樹差異使用乙烯利刺激割膠方式,達到降低成本,提高產量和品質的目的。
?橡膠樹死皮及其恢復機制
死皮(tapping panel dryness, TPD)是橡膠樹受到過度割膠刺激出現割面干涸的特有現象。死皮發生是橡膠樹對過度排膠刺激的一種自我保護措施。死皮是橡膠生產中影響經濟效益的重要因素之一,對于死皮的發生原因,科研人員提出了不同的假說。首先,病理學假說認為死皮是因為橡膠樹皮被病原物入侵導致,但通過組織細胞學技術并沒有在死皮部位鑒定到任何致病菌,因此,確認死皮發生不是由病原菌引起。第二,局部嚴重創傷假說認為橡膠樹死皮是過度割膠引起的生理紊亂反應,造成黃色體破裂而引發的乳管細胞程序性死亡,從而引起死皮病。SIVAKUMARAN等已證明死皮樹中形成大量胼胝體、無機磷、輔氨酸及Mg大量減少,引起樹體營養失衡,但這種營養失衡不確定是死皮發生的原因還是結果。第三,水分失衡假說認為反復割膠帶走大量的膠乳,引起樹體內水分失衡、膠乳不正常的反復稀釋促進死皮病的發生,極度的水分缺失會導致樹體韌皮部的氰化物中毒,這是導致樹皮死的根本原因。第四,自由基假說認為細胞器、黃色體和橡膠粒子中含有導致膠乳凝結的因子,導致NADPH酶活增加,活性氧含量上升,引起死皮。第五,乙烯利衰老假說認為乙烯利刺激過度割膠會引起細胞內系統代謝和物質循環加快,加速養分流失,促進樹皮衰老,導致死皮發生。第六,激素失調假說認為過度割膠引起激素失衡,進而影響橡膠樹的正常生長發育,這可能是導致橡膠死皮的重要因素。也有研究表明,外施中國熱帶農業科學院橡膠研究所研制的橡膠樹死皮康復營養劑,發現其能明顯降低橡膠樹死皮停割植株的死皮指數及促進割線癥狀的恢復,且能提高死皮植株產量。一般情況下,割線長、割膠頻率高、低產株及高強度刺激割膠會造成死皮率升高,因此,選擇合理割膠制度可有效降低橡膠樹的死皮率,從而提高排膠質量。
?逆境
不利的環境因素也會引起橡膠樹排膠減少,經濟效益降低。熱帶北緣地區的海南、廣東和云南是我國主要植膠區,周圍環境溫度在1824℃之間是最適宜的割膠排膠溫度,每年發生的低溫寒害均直接導致與排膠反應相關的滲透壓、酶活性和代謝系統的變化,使橡膠減產,減少橡膠樹的經濟壽命。史敏晶等研究發現低溫會導致排膠時間過度延長,直接影響了天然橡膠的高產穩產。反之,高溫干旱時散熱率和呼吸速率同時降低凈光合產物的積累而導致排膠量減少。曾憲海等研究發現嚴重干旱會引起橡膠樹嫩葉大面積死亡、變黃或凋零,造成排膠障礙而減產。廣東和海南的植膠區還面臨臺風災害的侵襲,風力脅迫會造成膠樹堵塞指數增加、排膠受阻,造成產量下降,死皮率增加,與膠乳再生相關的代謝活性及相關因子水平均會降低,同時越高產的橡膠樹越容易受到風害威脅。除了不利的環境因素外,病蟲害也時刻威脅著橡膠樹的排膠量。白粉病是威脅橡膠產量最嚴重的一種病害,主要危害橡膠樹的嫩葉,病情嚴重時可影響葉片的光合作用導致減產,根據病情的不同程度會造成不同程度的經濟損失,炭疽病、割面條潰瘍病、根系疾病等均會不同程度地造成橡膠樹樹勢減弱、膠乳產量減少。橡膠小蠹蟲、六點始葉螨、介殼蟲、蟋蟀和螻蛄等蟲害也會影響橡膠樹長勢,并造成膠乳產量大幅度下降,嚴重時還會引起橡膠樹死亡。
?排膠的生理和分子生物學機制
橡膠樹排膠過程受多種因素的協調調控。張曉飛等用膠乳診斷的方法比較了6個國外引進品種的排膠特性,發現‘熱試11-107’的蔗糖含量與干膠產量呈正相關,而‘熱試11-9’的蔗糖含量與干膠產量呈負相關,表明排膠具有品種特異性。
生理基礎
通過膠乳診斷(latex diagnosis)來測定膠乳中物理化學成分及生理指標,以預測橡膠樹的排膠特性。參與排膠相關的生理參數主要有總固形物含量(total solids content,TSC)、硫醇(R-SH)、黃體破裂指數(BI)和鎂離子等。TSC可直接反應乳管細胞的膠乳再生能力,若干膠含量過高,說明細胞粘性大可引起排膠不暢,含量過低表示乳管細胞再生能力弱。吳明等指出干膠含量大小順序為‘PR107’>‘熱研917’>‘RRIM600’,且受乙烯刺激干膠含量會有所下調。硫醇是膠乳細胞中重要的細胞膜保護劑,反映乳膠中細胞抗氧化能力和對細胞器保護的情況,也是乳膠穩定劑之一。割膠會引起細胞內硫醇含量降低,硫醇含量高時可清除細胞內的活性氧,延遲乳管堵塞,顯著延長排膠時間,其含量與膠乳產量呈正相關;過低時造成非酶促保護系統減弱而引起死皮。高產株系的硫醇含量均較高,‘熱研879’和‘熱研73397’的硫醇含量顯著高于‘PR107’。硫醇受乙烯刺激的誘導,但是品系不同,受刺激的反應也不同。無性系‘PR107’受乙烯利刺激后,細胞內硫醇含量會升高;‘熱研879’在乙烯作用下細胞內硫醇含量會先升高再降低,因此,乳管細胞中的硫醇含量具有品系特異性。
黃色體破裂指數是黃色體破裂后膠乳中游離酸性磷酸酶活性與總磷酸酶活性的百分比,可用來反映膠乳中黃色體的完整性。黃色體破裂指數越高,越易造成乳管堵塞阻礙排膠。敖碩昌等證明黃色體破裂指數與產量呈負相關。但是,乙烯利可提高黃色體的穩定性,抑制黃色體的破裂,延緩膠乳在割口處凝固,從而延長排膠時間和增加乳膠產量。
Mg與乳膠產量關系較復雜,它不僅是ATP酶、轉移酶等激活劑,也是轉化酶和酸性磷酸酶的抑制劑,因此,Mg和乳膠產量既存在正相關,又存在負相關。Mg主要是通過黃色體破裂排出,因此,過高的Mg濃度會引起乳管堵塞阻礙排膠。
?分子機理
4.2.1? 橡膠樹基因組? 目前,在橡膠樹排膠過程中已經有很多基因組學、轉錄組學和蛋白組學等方面的研究。RAHMAN等首次公布了橡膠樹無性系‘RRIM600’的基因組,共預測基因數目68 955個。隨著測序技術的成熟和新測序技術的發展,TANG等在2016年發布了橡膠樹無性系‘熱研73397’的全基因組序列,預測基因數量為43 792個,同年,LAU等利用三代測序技術更新了‘RRIM600’基因組數據,預測基因數量為84 440個。POOTAKHAM等在2017年發布了橡膠樹‘BPM24’的全基因組數據,預測基因數為43 868個,并且首次發現膠乳中高表達的基因存在大量的可變剪接現象。在‘RRIM600’基因組數據基礎上,MAKITA等在2018年整合大量轉錄組數據,對基因共表達網絡和轉錄組起始位點進行在線分析。結合新興的Hi-C(high- through chromosome conformation capture)技術,LIU等在2020年發布橡膠樹無性系‘GT1’基因組數據,預測基因44 187個,發現橡膠樹經歷了2次全基因組復制事件。橡膠樹全基因組的公布對后續基因功能的研究發揮著重要作用。
4.2.2 ?天然橡膠生物合成相關蛋白? 目前,發現參與橡膠生物合成的蛋白主要有橡膠延伸因子REF、小橡膠蛋白SRPP、橡膠轉移酶HRT、HMGR、HMGS、FDP合酶。酵母雙雜交實驗已證明REF不僅可與高同源性蛋白互作,也可與TCTP和激發子蛋白等互作,使用特異抗體與REF結合或去除REF后,天然橡膠生物合成途徑中的異戊烯鏈會終止延長。SRPP和REF的氨基酸序列同源性高達72%,代龍軍等分離出一個新的SRPP亞家族成員的完整氨基酸序列,推測SRPP可能參與逆境反應,并對橡膠生物合成有促進作用。在橡膠樹中分離出2個基因和3個基因,其中基因同源性為87%,在膠乳中特異性表達,參與膠乳合成、催化IPP多聚化;而的表達受乙烯利的誘導,且在乳管中的表達量明顯高于葉片,和的表達無組織特異性,而且缺少TATA-box啟動子,推測可能參與橡膠的生物合成,可能與有持家特性的類異戊二烯生物合成有關。HMGS的酶活力主要存在于乳管中,在膠乳合成早期為膠乳合成提供原料,且高產橡膠樹中HMGS的表達水平高于低產橡膠樹水平,受乙烯的直接誘導。在橡膠樹表皮和膠乳中均有表達,而且割膠會引起表達量的升高,說明在橡膠生物合成和一些異類異戊二烯合成中起雙重作用。
4.2.3? 排膠相關蛋白研究? 橡膠樹中許多與排膠相關的基因家族均已經得到鑒定。如鉀轉運蛋白(KUP)基因家族在橡膠樹中有31個成員,其中經過乙烯利刺激后,和在膠乳中的表達量明顯上調。已知乙烯在產排膠過程中起重要作用,ACS是乙烯生物合成的關鍵限速酶,橡膠樹中共有7個ACS成員,主要在根、葉、花和樹皮中表達,膠乳中的表達量相對較低,但經乙烯利處理后,這些基因的表達量均會顯著上升。經乙烯處理后,原生質膜上的ATP酶活性顯著升高,激活的ATP酶為蔗糖運輸提供能量。在膠乳中表達的2個蔗糖轉運蛋白HbSUT1A和HbSUT2A均受乙烯誘導,說明這2個蔗糖轉運蛋白均參與了乳管的蔗糖供給及乙烯刺激增強乳管代謝的能力,其中基因在膠乳、樹皮和葉片中均有高表達,并且參與乳管蔗糖供給的調控。紫色酸性磷酸酶(PAP)與乙烯刺激增產相關聯,已從橡膠樹中克隆出9個基因,在膠乳中表達量較高,而且在乙烯刺激下,、和伴隨刺激強度的增強在膠乳中基因表達增強3倍以上??焖賶A化因子(RALF)是一種植物多肽類激素,在橡膠樹中鑒定到16個RALF基因,其中有8個在膠乳中高表達的參與乙烯刺激響應。茉莉酸信號途徑在橡膠生物合成和乳管發育過程中起重要調節作用,和參與次生乳管分化,參與橡膠生物合成。COP9信號小體(CSN)在茉莉酸信號途徑中起重要作用,吳紹華等采用RACE技術在膠乳中克隆了8個CNS基因,其中在膠乳中表達量最高,部分基因受到茉莉酸甲酯處理后,上調表達可能參與膠乳的茉莉酸信號途徑。茉莉酸信號途徑中的MYC轉錄因子HbMYC2、HbMYC3、HbMYC4可與含有G-box順式元件的產排膠相關基因互作來調控靶基因,是其調控的靶基因之一。高產橡膠樹種質中、、基因的表達量是低產種質的2倍以上,其中基因的表達差異最大,有望成為橡膠樹產量育種的一個分子標記。
4.2.4? 水分運輸相關蛋白? 影響橡膠樹排膠的因素有2種,即排膠動力和排膠阻力。橡膠樹排膠是由于乳管內與切口處的膨壓,這時水通道蛋白(aquaporin,AQP)水分進入乳管,增大排膠壓力順利排膠。TUNGNGOEN等首先在橡膠樹‘PB217’中克隆了和水通道蛋白,這2個水通道蛋白受乙烯利、水楊酸、脫落酸和生長素刺激后在膠乳中均表現出上調。莊海燕克隆了水通道蛋白和的cDNA全長序列,且均受乙烯利的誘導。乙烯可在短時間內顯著增強水通道蛋白的表達量,進一步增加乳管細胞水分的供給,降低膠乳粘性,增強乳管膨壓,提高排膠速度。
4.2.5? 乳管堵塞相關蛋白? 在乳管堵塞處的“蛋白質網”的形成主要與由肌動蛋白微絲骨架有關。鄧治等以‘熱研7-33-97’膠乳為模板克隆出基因,結果發現隨著排膠時間的延長基因的表達量逐漸下調,而經過乙烯誘導后,基因表達量均有上調,只有在排膠即將結束時基因的表達量才會下調,說明ADF可解聚在堵塞口處形成的肌動蛋白微絲骨架,延長排膠時間?!暗鞍踪|網”的主要成分是β-1,3-葡聚糖酶、幾丁質酶及橡膠素。王冬冬等在橡膠樹‘PR107’中克隆了這3個基因序列,結果發現這3個基因受乙烯影響均會顯著下調,并且通過免疫印跡分析可得知HGN1、Hevamine A和HEV1受乙烯調控的蛋白含量變化與基因變化規律一致。乙烯通過抑制這3種成分的表達來抑制“蛋白質網”的形成,很大程度上延長了排膠時間和增加膠乳產量。
幾丁質酶(EC 3.2.1.14)/溶酶菌(hevamine A)是阻止膠乳凝固的一個重要因子,幾丁質的單體是橡膠粒子表面蛋白22 kDa的糖基GlcNAC,而幾丁質酶可解除GlcNAC糖基,致使橡膠蛋白不能與橡膠粒子結合,抑制膠乳凝固,延長排膠時間。乙烯利刺激可使幾丁質酶基因超表達,并且在刺激36 h時達到高峰,當停止乙烯刺激時,幾丁質酶的活性就不再增加。BOKMA等在2001年獲得了Hevamine cDNA序列。黃瑾等以此為基礎克隆得到了幾丁質酶基因序列的全長,發現不同品系膠乳中的幾丁質酶基因均受乙烯誘導,刺激前后基因表達存在明顯差異,乙烯濃度越大,差異越顯著。但是GIDROL等通過實驗證明堵塞指數不同的橡膠樹品種‘WAR4’和‘GT1’經過乙烯刺激后,‘WAR4’橡膠樹中的幾丁質酶基因大量表達,膠乳產量增加了3~5倍,而‘GT1’橡膠樹刺激前的幾丁質酶基因表達較高,對乙烯刺激反應弱,經乙烯刺激后膠乳產量只增加了1.3~1.5倍,說明不同品系的橡膠樹中的幾丁質酶對排膠影響存在特異性。
橡膠素(hevein)即橡膠蛋白,分子量約為5 kDa,是植物凝集素家族的一種,是橡膠樹黃色體可溶性蛋白的主要成分,可將橡膠粒子凝集在一起,使膠乳凝結和堵塞乳管的作用,這種凝集機制需要糖基GlcNAC的支持。組織特異性表達發現所有基因在膠乳中的表達量最高,割膠、ABA、乙烯利均會誘導基因的表達。朱家紅等克隆到了橡膠素家族的一個新基因基因,組織表達表明,該基因積極參與橡膠樹對乙烯的響應,并在乙烯誘導12 h時表達量最高,表示乙烯利延長排膠時間的同時凝集效果也更顯著。但是目前二者之間的分子調控機制還需進一步研究。
β-1,3-葡聚糖酶(EC 3.2.1.39)伴隨幾丁質酶同時出現,在病原菌侵染、水楊酸、茉莉酸和乙烯等處理刺激下,會激活相關蛋白基因的表達來增強酶的活性。在膠乳中,β-1,3-葡聚糖酶通過與黃色體膜的結合與橡膠粒子結合,在割膠口形成多組分交聯的復雜堵塞物。含有大量β-1,3-葡聚糖酶的橡膠無性系比少量β-1,3-葡聚糖酶的橡膠無性系產膠多。黎喻等通過實驗證明割膠和外源SA刺激下,可促進橡膠樹膠乳β-1,3-葡聚糖酶基因的表達,且酶活增強。
?展望
隨著科學技術與研究方法的不斷發展和引入到橡膠樹排膠研究領域,橡膠樹排膠機制方面的研究已經取得了重大進步,對推動橡膠經濟產業的發展起到關鍵性作用。如今,天然橡膠產業從產量提升向品質提升轉變,闡明排膠調控機制并據此研發安全、長效、低成本的排膠調控技術成為了橡膠經濟產業研究的新熱點。
內源激素檢測技術
在橡膠樹排膠研究和生產實踐中已經證明,激素對橡膠生物合成、芽接苗砧穗結合、橡膠樹乳管分化、愈傷組織誘導等均具有重要作用。目前,已在橡膠樹中相繼建立了樹皮茉莉酸含量、茉莉酸自顯影、氣相色譜檢測乙烯、膠乳中4種植物激素(生長素、玉米素、赤霉素、脫落酸)的檢測方法。隨著天然橡膠從產量目標向質量目標的轉變,植物激素在橡膠樹膠乳、葉片和枝條等部位的功能將不斷拓展。因此,需建立橡膠樹膠乳、葉片和枝條等部位的簡便、快捷的激素檢測方法,用于定量和定性研究,包括樹皮和膠乳中內源乙烯的GC-MS檢測方法和茉莉酸等激素的HPLC-MS-MS方法等。
?排膠相關調控基因篩選和功能鑒定
橡膠樹基因組、遺傳圖譜、組織培養和遺傳轉化體系的建立和日益完善均有助于排膠相關基因的進一步篩選。在排膠影響關鍵基因和蛋白功能鑒定的基礎上,進一步克隆篩選基因啟動子區域響應元件、鑒定MYB等轉錄調控因子、解析鈣信號、活性氧等信號轉導途徑,蔗糖和異戊二烯代謝路徑中的關鍵家族成員結構與功能是研究重點。另一方面,開展活性氧猝滅的相關抗氧化物酶活性分析和乙烯、脫落酸等內源植物激素含量分析也有助于證明關鍵基因的調控作用。
? 高效排膠技術和調節劑的研發
在研發橡膠樹乙烯刺激劑、死皮康復劑和割面保護劑的基礎上依據橡膠樹排膠理論,結合排膠影響因素,研發新型乳管傷口愈合和保護劑、死皮康復噴劑等樹排膠調節劑。目前,自動割膠機研發進展迅速,人工成本降低,可結合氣刺微割技術和針刺采膠技術形成新的割膠技術體系。
?排膠相關分子標記的開發
由于排膠調控機理與植物生理生化、酶活性代謝和基因表達等密切相關,開發排膠相關分子標記有利于篩選排膠特性差異種質和指導排膠新技術的研發。結合前期研究進展,可從總固形物含量、ATP酶和蔗糖轉移酶等篩選排膠相關的生理生化標記;從乙烯、茉莉酸等植物激素信號途徑中關鍵因子、、等基因中篩選分子標記。此外,排膠相關關鍵蛋白,如、、、等基因組序列和啟動子序列也可用于標記篩選。這些標記可用于種質資源鑒定,也可用于新型調節劑研發過程中的評價指標。
綜上所述,橡膠樹排膠與天然橡膠生物合成、生理生化、割膠技術和環境因素密切相關,在橡膠樹生理與分子生物學領域不斷引入新技術和新方法,將為創建排膠調控理論和新型刺激技術研發及天然橡膠產業升級提供理論基礎和技術指導。
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