藜麦的基因及基因组研究进展

来源:用户上传      作者:龙茜　牛蓓　时小东　邹亮　赵钢　余鑫

　　摘 要 藜麦是联合国粮农组织认定的唯一可满足人体基本营养需求的单体植物，具有较高的经济效益和研究价值。随着第二、三代高通量测序技术的发展，藜麦的基因组全貌得以揭示，各类基因转录组及重要基因家族研究进一步展开。基于此，对近年来藜麦基因及基因组学的主要研究进行了综述。未来藜麦的基因研究仍需加强对关键性状和活性成分的全基因组关联分析和调控机制等方面的研究，为藜麦生长发育和代谢调控提供科学依据。
　　关键词 藜麦;基因;基因组;研究进展
　　中图分类号：Q943.2 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.21.084
　　藜麥（Chenopodium quinoa Willd）为苋科藜亚科藜属一年生双子叶自花授粉植物，由于蛋白含量高且氨基酸平衡，是全世界公认的全营养谷物[1]。其对土壤干旱、盐渍等均具有较强的抗逆性，因而具有较高的经济和研究价值[2]。多年来，藜麦的异源四倍体的基因组复杂性限制了藜麦的基因组学的发展。随着高通量测序技术的快速发展，涌现出了大量的藜麦序列信息，在遗传多样性分析、功能基因及组学分析方面取得了较大进展。基于此，对藜麦功能基因及组学研究进行综述，探讨藜麦未来的研究方向，为重要活性物质的分子调控机理研究、品质选育以及抗逆研究提供参考。
　　1 基因组测序研究
　　目前，全球已有数个研究团队分别公布了各自的藜麦全基因组序列[3-5]。其中，2017年Jarvis DE等人[4]在《Nature》上公布了高质量的藜麦全基因组序列。他们利用SMART测序、Bionano光学图谱，以及HiRise? Service技术，组装得到基因组1.39 Gb，3 486个骨架（Scaffolds），Scaffold N50为3.84 Mb，439个最长的骨架组成90%的基因组，同时还预测得到44 776个基因。同年，Wang[6]等也完成了藜麦叶绿体基因组测序工作。藜麦cpDNA全长为151 169 bp，包含120种基因，其中蛋白编码基因87种、tRNA 29种、rRNA 4种，总GC含量为37.3%。藜麦全基因组序列的测序完成为鉴定藜麦基因家族、挖掘功能基因及研究基因功能等提供了极为有利的条件。
　　2 藜麦生长发育相关基因及转录组研究
　　2.1 藜麦三萜皂苷合成途径的基因及转录组研究
　　皂苷是藜麦籽粒种皮外覆盖的一类微苦的物质，过高剂量服用会产生毒性[2]，这是藜麦食用推广仍受制约的原因之一。近年的研究显示皂苷不仅可以作为藜麦品质性状评价的重要指标，还具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌、免疫调节等药理活性[2，4]。因此，与皂苷生物合成相关的重要基因成为研究热点之一。姜晓东等[7]以藜麦品种陇藜1号为材料，通过RT-PCR技术克隆得到三萜烯皂苷生物合成途径中关键酶鲨烯合酶基因（CqSS1、CqSS2）、β-香树酯醇合成酶基因（CqbAS）的cDNA全长序列。基因组织特异性表达显示，CqSS1和CqbAS在叶片和籽粒中表达量最高，但在籽粒发育的不同时期，表达水平无显著差异[7]。Jennifer FJ等[8]发现，用茉莉酸甲酯处理甜、苦藜麦（全株和叶片），其皂苷生物合成关键基因CqbAS1转录本都有较高水平的表达，而且甜藜麦对茉莉酸甲酯的反应速度要快于苦藜麦，推测该激素诱导三萜皂苷的合成。此外，研究者还通过筛选和酵母功能鉴定的方法，最终鉴定出三个基因CqbAS1、CqCYP716A78和CqCYP716A79，证明与三萜皂苷生物合成相关。
　　Jarvis D E等[4]以Kurmi（甜藜麦）×0654（苦藜麦）、Atlas（甜藜麦）×Carina Red（苦藜麦）为研究材料，利用连锁图和BSA的方法来定位基因。在CqB16染色体筛选到两个与三萜皂苷化合物合成相关的转录因子基因TSARL1和TSARL2。TSARL1的转录结果显示其几乎只在种子中表达，在甜藜麦品种中表达量相当低。而且TSARL1转录本在Kurmi和0654的后代植株中存在可变剪切。其第三个外显子最后一个碱基存在一个SNP（G2078C），将改变intron/exon剪切边界，可能使剪切发生在第三个外显子上游，从而导致TSARL1合成提前终止，生成的多肽不具备结合DNA的能力，丧失了调控转录的作用。测序结果显示，所有Kurmi和0654后代中的苦藜麦在上述SNP位点的基因型都为G，而几乎所有的甜藜麦（除Pasankalla品种）都具有一个SNP（G2078C）。此外，对Atlas的测序发现，TSARL1除了某些个体出现相同的G2078C，还有部分个体因插入序列，而导致基因功能丧失。以上两种不同的TSARL1突变形式与甜的性状的相关性暗示TSARL1基因调节了三萜皂苷化合物在藜麦种子中的合成。
　　2.2 藜麦生长调控因子基因的研究
　　生长调控因子（GRF）是一类对植物的生长发育起重要调控作用的蛋白。时丕彪等[9]利用生物信息学方法在藜麦中鉴定出18个GRF基因家族成员。蛋白长度包含77～621个氨基酸不等，都具有QLQ或WRC保守结构域。表达图谱显示，该家族成员在种子中的表达量较高，其次是在花序和根中。研究推测AUR62002094和AUR62028212基因可能与藜麦产量性状有关。
　　NAC家族是植物特异性转录因子的最大家族之一，参与许多植物的生长发育过程和应激反应。Feng Li等[10]在藜麦中共鉴定出90个NACs，可分为14个不同的亚科。不同亚科在基因比例、外显子-内含子结构、基序组成等方面存在差异。11个CqNACs表现出明显的组织特异性表达模式，所有CqNACs在盐胁迫下均呈阳性表达。
　　2.3 藜麦脂肪酸代谢途径的转录组研究
　　对藜麦脂肪酸生物合成途径相关基因的挖掘，将为藜麦油脂合成、积累以及后期育种的研究提供理论基础。时小东等[1]运用Illumina技术对藜麦陇藜2号进行不同部位转录组测序，得到7 416条新基因，87条油脂合成相关的基因。基因表达模式分析显示，与脂肪酸生物合成相关的基因在种子表达呈现整体上调模式，可能与种子中油脂形成和积累密切相关。 　　2.4 蛋白质、氨基酸和维生素合成途径的基因研究
　　藜麦由于富含必需氨基酸和维生素，是全世界公认的全营养谷物[1]。Zou等[5]通过测序和序列分析，发现藜麦有7种酶与天冬氨酸转化成赖氨酸途径有关，下游DAPAT酶和DAPE酶的基因拷贝数远高于其他谷类或甜菜。此外，与维生素B6相关的5’-磷酸吡哆醛合酶、二氢叶酸合酶和四氢叶酸合酶的基因拷贝数也高于其他种类的植物。11S球蛋白和2S球蛋白是藜麦重要的种子储藏蛋白。Marie RB[11]等人得到两个11S球蛋白的基因组和cDNA序列。表达谱分析显示，11S球蛋白的基因转录产物在种子发育早期表达量很低，随后在11S蛋白质大量积累时达到了基因表达的高峰，种子成熟后表达量下调。
　　2.5 色素相关的基因研究
　　Imamura T等人[12]在藜麦中分离得到甜菜红素合成途径中的环多巴酶基因CqCYP76AD-1、4，5-多巴双加氧酶基因CqDODA和CqCDOPA5GT。CqCYP76AD-1与下胚轴的色素生成有关，在下胚轴见光后就开始表达，色素就立刻开始在下胚轴富集，能够保护下胚轴，提高藜麦的生存能力。该团队继而又克隆到藜麦苋菜红素合成酶基因CqAmaSy1，将上述4个基因转入烟草BY-2体系，生产苋菜红素和甜菜苷，苋菜红素能轻微地抑制癌细胞，显著抑制HIV-1蛋白酶活性[13]。
　　3 逆境胁迫响应途径的转录组及基因研究
　　由于藜麦具有较强的抗逆性，其抗逆机理受到广泛关注。目前，基因及转录组研究主要集中在抗盐和抗旱胁迫上。
　　3.1 抗盐胁迫途径的基因及转录组研究
　　众多研究发现，藜麦通过排出Na+、保持K+、合成可溶性有机渗透调节物或积累无机离子、抗氧化、调节气孔发育等策略来达到耐盐的目的[14]。
　　甘氨酸甜菜碱通过维持渗透压，保护各种酶的活性，从而减缓各类胁迫对植物造成的伤害。在植物体内，甜菜碱由胆碱经2步氧化生成，而催化第2步反应的酶是甜菜碱醛脱氢酶（BADH）。Jiang等[15]克隆到藜麦的CqBADH1基因，其含有1 503 bp开放阅读框。实时荧光定量结果表明，CqBADH1基因在根部表达量较高，并且随着盐胁迫浓度的增高而升高。
　　Na+外排或区域化至液泡中是植物保持胞质低盐水平的调控机制之一[14]。位于质膜Na+/H+逆向转运蛋白SOS1和液泡膜上Na+（K+）/H+逆向转运蛋白NHX，在藜麦研究中受到广泛关注。Maughan等[16]通过克隆和筛选BAC库得到cqSOS1A和cqSOS1B全长基因。实时荧光定量PCR数据显示无盐胁迫（50 mmol·L-1）时，2个基因在根部的转录远高于叶片。而高浓度盐胁迫（450 mmol·L-1）下，这2个基因在叶片中的转录产物继续上调，而根的表达量变化不明显。为了进一步了解藜麦耐盐和盐敏感品种在耐盐机制上的差异。Ruiz-Carrasco K等人[17]在盐胁迫下比较智利4种不同品种藜麦CqSOS1和CqNHX1的转录产物量的差异，数据显示这些基因不但在根和芽的表达量不同，而且在不同品种藜麦中表达量也不同。CqSOS1在耐盐性较高的品种PRJ的根部上调表达。CqNHX1在15日龄PRJ、PRP和UDEC 9的离体育苗中表达增强，而在盐敏感程度最高的品种BO78中表达不明显。在根中，CqNHX1转录水平也不相同，在耐盐性最强的品种PRJ中有上调表达，而另一种耐盐品种PRP则没有明显上调，推测它们可能具有不同抗盐策略。
　　ABA信号通路被认为参与多重信号转导网络来调节植物的生理响应，因而该通路在盐胁迫研究中被重点关注。Yasui Y等[3]发现与其他物种相比，部分ABA信号通路基因家族基因数量出现扩增。Zou等[5]研究显示藜麦中与ABA信号通路相关的部分基因家族（NSY、NCED、SDR、ABCG、PYL）的基因拷贝数比其他物种（拟南芥、甜菜、马铃薯、番茄等）相关基因都高。盐胁迫后，大部分ABA通路相关的基因的转录产物上调表达。此外，作为藜麦耐盐特异化结构的表皮盐囊泡，与叶片细胞在基因转录谱上也有着明显的差异。其离子转运蛋白、H+-ATP酶、糖转运蛋白、ABA合成途径的部分酶基因（NCED、SDR）的转录水平都高于叶片细胞。
　　Ruiz KB等[18]以藜麦品种R49与VR的种子为研究对象，对盐胁迫后ABA途径相关基因（NCED、PYL、PYR、BG1和ABF3）、多胺相关基因（ADC1、ADC2、SAMDC、SPDS1、SPMS和DAO）、离子稳态相关基因（CqNHX、CqSOS1α、HKT）以及CycD3、β-EXP1、DREB2α、bZIP24和RD22進行基因表达谱的分析。结果显示，盐胁迫下两个品种的藜麦（尤其根部），关键的盐适应策略是基本一致的，而芽中最相似的是ABA途径的激活，推测可能与快速调节植物水分状况有关。但在某些情况下，转录改变（如NCED、ABF3和RD22）的发生时间反映了不同品种对盐胁迫适应策略的差异。
　　3.2 抗旱胁迫途径的基因及转录组研究
　　藜麦抗旱胁迫途径的基因研究主要集中在热休克蛋白基因家族和胁迫基因成员的转录组研究上。
　　热休克蛋白作为分子伴侣，参与细胞内蛋白质的折叠、装配、降解和修复过程。Morales A等[19]的研究显示干旱胁迫后，CqHSP20的转录水平相对于对照组表现出很高的上调（超过200倍）。同样，CqLEA、CqCAP160、CqAP2/ERF、CqPP2C、CqHSP83和CqP5CS的转录产物在干旱条件下以不同的幅度上调。研究还发现，在ABA生物合成途径中只有CqNCED3a和CqNCDE3b转录是上调表达，而其余的研究基因都表达下调，推测R49品种表现出不同的抗旱响应。Liu等[20]通过藜麦基因组分析得到16个HSP70基因家族成员。在将藜麦进行不同时长的干旱胁迫后，实时荧光定量结果显示HSP70基因家族成员的表达情况各异。有5个基因和拟南芥HSP70基因家族类似成员表达模式不一致。 　　4 總结与展望
　　通过回顾藜麦基因及组学的主要研究内容，发现未来还应加强对现有藜麦基因组和转录组数据的深入分析和利用，尤其还应对重要基因家族进行比较基因组学分析，并进行后续的功能验证;加强整合传统的QTL定位和关联分析进行遗传鉴定、高通量突变体筛选、优良品种与一般品种的比较转录组、蛋白质组和代谢组分析，为育种应用研究的转化奠定基础。
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　　（責任编辑：刘昀）
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