多倍體育種對植物次生代謝影響的研究

1、多倍體育種對植物次生代謝影響的研究摘要：從次生代謝產(chǎn)物、次生代謝途徑及其基因調(diào)控方面綜述了近年來國內(nèi)外研究人員關于多倍體育種對植物次生代謝產(chǎn)生影響的研究進展，探討了在研究過程中尚需解決的問題，并展望了多倍體育種的研究前景，植物的次生代謝是植物體利用初生代謝產(chǎn)物，在一系列酶的催化作用下，進行合成或分解代謝，所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物稱為次生代謝產(chǎn)物，如生物堿、糖甘、黃酮類、揮發(fā)油等，這些化合物分子一般很小，相信隨著多倍體育種中難題的克服，育種技術和誘變方法的提高，現(xiàn)代分子生物學研究的進步，植物多倍體育種將在提高植物次級代謝產(chǎn)物方面展現(xiàn)其巨大的潛力摘要：多倍體育種是提高植物次生代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的手段之一。從次生

2、代謝產(chǎn)物、次生代謝途徑及其基因調(diào)控方面綜述了近年來國內(nèi)外研究人員關于多倍體育種對植物次生代謝產(chǎn)生影響的研究進展，探討了在研究過程中尚需解決的問題，并展望了多倍體育種的研究前景。關鍵詞：植物；多倍體育種；次生代謝；人工誘導一般來講，多倍體是指染色體組的數(shù)目在3以上（3n）的個體、居群和種。在植物的進化過程中，幾乎所有的真核生物都有過加倍的過程。染色體組的多倍化是推動植物進化的一個重要因素，是物種形成的重要途徑之一。由于多倍體染色體組倍數(shù)的不同，基因組擴張，細胞核通常會增大，細胞的體積也會變大。因為染色體組的累積效應，植物多倍化后使得其植株產(chǎn)生許多新的表型，如生長勢強、器官膨大、生物量、營養(yǎng)成分或

3、有效成分增多、生長期延長等，同時由于植株基因活性及酶的差異性使植株的生態(tài)適應性和抗病、抗逆性能增強，使其更適合自身或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。因此，人工合成多倍體的實踐與應用越來越普遍，在蔬菜、果樹、園藝作物、藥用植物等領域，人工培育的多倍體新品種得到廣泛應用。1 .多倍體的主要特點在高等植物中，多倍體由于染色體組來源不同，可分為同源多倍體和異源多倍體。人們利用其多倍體的特點來人工誘導培育多倍體植物，其多為同源多倍體。多倍體具有如下幾個主要特點：器官巨大性。細胞核內(nèi)染色體的加倍，使相應的細胞核、細胞以及組織器官等明顯加大。綜合抗性增強。多倍體植物由于生理生化特性發(fā)生了不同的變化，一般能適應惡劣的環(huán)境條件

4、，具有耐寒、耐旱，耐鹽等特性，表現(xiàn)更為良好。有機合成速率提高。由于多倍體染色體數(shù)目增多，基因加倍，新陳代謝比較旺盛，酶活性加倍，從而提高蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素、植物堿、單寧等的物質(zhì)的合成速率。2 .多倍體與次生代謝植物的次生代謝是植物體利用初生代謝產(chǎn)物，在一系列酶的催化作用下，進行合成或分解代謝，所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物稱為次生代謝產(chǎn)物，如生物堿、糖苷、黃酮類、揮發(fā)油等，這些化合物分子一般很小。許多植物在受到病原微生物的侵染后，產(chǎn)生并大量積累次生代謝產(chǎn)物，以增強自身的免疫力和抵抗力。由于多倍體的基因劑量倍增，從而使植物的一些生理生化過程隨之加強，新陳代謝旺盛，其體內(nèi)的某些生化成分的含量也相應提高及

5、某些成分組成發(fā)生改變。因此可以通過誘導多倍體的方式對植物次生代謝進行調(diào)控，從而提高次生代謝物的產(chǎn)量或改變次生代謝物的成分組成，也可以提高植物的防御能力。大量有益的次生代謝物可用于食品生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)和人類疾病的防治等方面。3 .多倍體對次生代謝產(chǎn)物成分的影響植物次生代謝產(chǎn)物種類繁多，在來源、結構和功能方面均有不同之處，目前已知的結構達3萬余種。植物次生代謝產(chǎn)物根據(jù)結構異同可分為酚類、萜類和含氮化合物等三大類。各大類再根據(jù)其化學結構和性質(zhì)又可分為黃酮類、簡單酚類、醌類、揮發(fā)油類、萜類、生物堿類和胺類等。多倍體誘變過程中發(fā)生的染色體重排、重復基因組的表達和基因劑量倍增，從而使多倍體植株的一些生理生化

6、過程隨之發(fā)生改變，最終引起株系次生代謝物的含量和成分的改變。染色體倍性的增加往往影響植物生理結構變化，如葉片密度大小、氣孔大小、細胞大小和單位細胞的葉綠體數(shù)目等方面的變化，因而加倍后植物的葉片往往比二倍體的葉面積大而且厚度也偏大，進而引起多倍體植物的光合作用大幅度提高，各種酶作用加強，生理代謝功能提高，次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量也相應提高。大量資料顯示黃酮類、揮發(fā)油類、堿類提高比較明顯，如多倍體丹參中有效化學成分丹參酮含量高于二倍體對照品種；四倍體白芷藥材中歐前胡素含量達0.46%，二倍體對照藥材僅為0.225%，含量增加了104.4%；四倍體藥用薯蕷中的薯蕷皂甙元含量比二倍體對照提高了20%；多倍體

7、人參中人參皂苷的含量比二倍體有顯著提高；多倍體杜仲的幼苗中綠原酸含量比沒有誘導的杜仲幼苗提高了17.78%；四倍體紫錐菊中菊苣酸、綠原酸和烷基酰胺類化合物的含量都要高于對照二倍體；四倍體埃及天仙子中莨菪堿含量相比二倍體提高了200%。國內(nèi)外研究主要集中在藥用植物上面，大多數(shù)多倍體植株中次生代謝產(chǎn)物的含量都有所增加，對于很多藥用植物，次生代謝產(chǎn)物為藥用有效成分，非常具有實用價值。已知多種中藥材染色體加倍后有效次生代謝物大幅度提高，并且已經(jīng)應用到了實際生產(chǎn)中，部分研究成果見表1。植物染色體的多倍化在不少情況下雖然可以提高次生代謝物成分含量，但染色體倍性的增加與化學成分含量的變化并不完全呈正比關系，

8、Yankoulov等對胡椒薄荷誘導出的同源五倍體與二倍體、四倍體和六倍體的精油含量和產(chǎn)量進行比較，發(fā)現(xiàn)二倍體優(yōu)于四倍體，而五倍體和六倍體都比二倍體和四倍體低：另外，多倍體與二倍體植物相比，并不只限于在次生代謝物含量上有影響，也能改變次生代謝物的成分組成及產(chǎn)生新的次生代謝物。胡彥32利用秋水仙素處理二倍體紫蘇后，篩選出了5個具有潛在開發(fā)價值的紫蘇多倍體新品系，其中多紫2號葉片揮發(fā)油的組分與二倍體親本相比，缺乏紫蘇醛，但產(chǎn)生了含量較高的新組分檸檬烯（6.32%）：李彬等對四倍體菘藍根的化學成分進行分離純化鑒定時發(fā)現(xiàn)一種新的化合物4 -（1，2，3-三羥基丙基）-2，6-二甲氧基苯-1-0-B-D-

9、葡萄糖苷。4 .多倍體對次生代謝途徑及其基因表達的影響次生代謝過程被認為是植物在長期進化中對生態(tài)環(huán)境適應的結果，它在處理植物與生態(tài)環(huán)境的關系中充當著重要的角色。植物次生代謝途徑是高度分支的途徑，這些途徑在植物體內(nèi)或細胞中并不全部開放，而是定位于某一器官、組織、細胞或細胞器中并受到獨立的調(diào)控。由于多倍體植物染色體數(shù)目增多，基因劑量加倍，同工酶活性增強，從而提高次生代謝產(chǎn)物的合成速率。與二倍體植株相比，多倍體植株中某些特定次生代謝物產(chǎn)量的提高可以在宏觀上得以體現(xiàn)。植物的次生代謝途徑較為復雜，由多種基因調(diào)控，多倍體植株中基因調(diào)控過程的變化還有待進一步研究。4.1 多倍體對次生代謝途徑的影響次生代謝物

10、產(chǎn)生的途徑多種多樣，而且產(chǎn)量很少，其產(chǎn)物具有不穩(wěn)定性難以分離，許多途徑目前仍不清楚。次生代謝物化合物的合成過程一般可分為3個階段：中間體的生成、類化合物的合成和最后的修飾。參與生物合成途徑的酶種類多樣，其中關鍵酶決定了下游產(chǎn)物合成與積累的量，這些酶一般位于途徑的分支點或產(chǎn)物合成的下游，催化合成前體和各種中間體的形成。通過調(diào)控這些關鍵酶的表達，可以提高植物中相關次生代謝物的產(chǎn)量。由于同源多倍體植株中遺傳物質(zhì)的變化，調(diào)控各個化合物的生物合成途徑的代謝機制被擾亂，多倍體中次生代謝物也會有所變化。這些變化包含次生代謝化合物成分的有無、含量的高低，同源多倍體由于基因劑量的增加，影響到次生代謝物生物合成過

11、程中關鍵酶的活性的變化，進而影響到產(chǎn)生次生代謝物的變化。如四倍體紫錐菊中PAL（苯丙氨酸解氨酶）、C4H（肉桂酸-4-羥基化酶）的活性均比二倍體高，進一步證明四倍體紫錐菊具有更強合成能力，并且四倍體紫錐菊苣酸和烷基酰胺類含量比二倍體高。Lavania等在研究多種香茅屬植物時，發(fā)現(xiàn)同源四倍體植物的香茅精油含量要高于對照的二倍體：在對精油成分分析時，發(fā)現(xiàn)精油成分種類沒有明顯變化，但是其中總醇類化合物所占比重增加，而總醛類化合物占比下降。同源四倍體的次生代謝途徑中，合成這些單萜類物質(zhì)的生物酶發(fā)生了改變，從而可能改變了次生代謝通道，某些物質(zhì)的合成步驟要比二倍體短，才導致了總醇總醛類物質(zhì)比重的改變。4.

12、2 多倍體對次生代謝基因表達的影響雖然同源多倍體植物與二倍體植物含有相同的基因，但是表現(xiàn)性狀有所差異，這與不涉及DNA序列改變的多倍體表觀遺傳變異是有關系的。同源多倍體中基因冗余導致其細胞核增大，進而加大了基因表達上的復雜程度，其相應的遺傳改造會致使某些相應基因的激活表達和某些相應基因的抑制表達，在植物次生代謝途徑中調(diào)控基因的表達及相關蛋白酶的表達具有特異性。譬如，二倍體中有的化合物在相應的多倍體中缺失，可能是已有結構基因的功能性抑制；二倍體中沒有的化合物在相應的多倍體中的表達，可以理解為先前沉默的結構基因的功能性激活。豆峻嶺研究不同倍性西瓜果實番茄紅素發(fā)現(xiàn)整個果實發(fā)育過程中番茄紅素含量表現(xiàn)為

13、多倍體大于二倍體，對5個關鍵酶基因的表達量分析表明只有PSY的表達量是二倍體最大，PDS、ZDS、CRTISO、LCYb基因的表達量均為多倍體大于二倍體。隨著染色體數(shù)目的增倍，植物多倍體不僅加強了基因的重組，而且擴大了重組基因組的表達，如上面所提及的一些關鍵酶含量的提高、次生代謝產(chǎn)物含量的提高。這種多倍化代表了基因組“沖擊”的一種形式，所產(chǎn)生的影響就削弱了基因組抑制系統(tǒng)的相互作用，增強了轉座因子的活性。而轉座因子的活動會改變基因組中某些基因的結構和表達式樣，同時有可能改變基因組中DNA甲基化的水平和外遺傳修飾，改變多倍體基因組中不同基因組成分間的相互關系，從而對整個基因組中基因的表達以及多倍體

14、的表型產(chǎn)生影響。所形成的同源多倍體或異源多倍體的多倍化表現(xiàn)與全基因組的變化是密切相關的；相應性狀的變化是受其多倍體表觀遺傳機制所控制的，如DNA甲基化、異染色質(zhì)組蛋白修飾等。植物正常生長發(fā)育必須在體內(nèi)存在著數(shù)量和程度不等的甲基化的DNA，試驗表明甲基化水平降低或不足的植株會表現(xiàn)明顯的表型異常，菊花莖尖組織經(jīng)一定濃度的5-azaC處理后可以使叢生芽的產(chǎn)生受抑制，并能進一步影響植物根系的產(chǎn)生和生長。大量研究表明，伴隨著染色體倍性的增加，多倍體植物的全基因組DNADNA甲基化水平與其倍性是非線性相關的，并不是倍性越大，它的甲基化水平越高。Lavania等還發(fā)現(xiàn)所研究的多種香茅屬同源四倍體全基因組的D

15、NA甲基化(5-mC)水平要高于對照的二倍體，可能與它所表現(xiàn)出來的精油含量提高、精油成分中總醇總醛類物質(zhì)比重的改變是有關聯(lián)的。5 .問題與展望過去的十幾年中，人們對植物多倍體育種的研究已取得了巨大進展，然而在這一研究中還存在著一些亟待解決的問題。誘變劑問題。雖然秋水仙素的誘導效率較高，但其價格較貴且有劇毒，植物幼苗經(jīng)秋水仙素處理后，爛苗、死苗現(xiàn)象嚴重，成活率很低：即使成活，也很容易出現(xiàn)嵌合體、育性低等問題。嵌合體現(xiàn)象。經(jīng)誘變處理后并不是所有細胞都可以加倍為多倍體，這就造成了嚴重的嵌合體現(xiàn)象，使得真正同一倍性水平的多倍體頻率過低。遺傳穩(wěn)定性。多倍體植物常存在一些不良性狀，如結子率低，育性下降，嚴

16、重影響了多倍體植物的遺傳。在多倍體育種中，誘變劑的篩選已經(jīng)有了不少的研究。研究者發(fā)現(xiàn)氨磺靈(Oryzalin)可以作為新型化學誘變劑，Gallone等用氨磺靈和秋水仙素同時誘導車前草屬植物，使用濃度為289uzmol/L的氨磺靈誘變成四倍體的概率為45.7%，而用了1000umol/L秋水仙素的誘變率只有28.6%：其他的研究也表明氨磺靈比傳統(tǒng)誘變劑秋水仙素對植株生長影響小，誘變效果好，且毒性小、劑量小。利用氨磺靈處理已成功誘導蘭花、紫荊、茅膏菜等植物的多倍體，因此氨磺靈可以替代秋水仙素作為一種新型高效的多倍體誘變劑。隨著組織培養(yǎng)技術的日臻成熟，多倍體育種與組培技術、遠緣雜交、現(xiàn)代分子生物技術

17、相結合，嵌合體現(xiàn)象及遺傳穩(wěn)定性問題有望得到更好地解決。同源多倍體孕性低，有可能使多倍體材料丟失，利用組織培養(yǎng)技術建立無性繁殖系，使材料得以保存，也給育種工作者提供了充分選擇的機會。利用組織培養(yǎng)保存材料也可以使其生理反應逐步協(xié)調(diào)，優(yōu)良性狀才能充分表現(xiàn)出來，才更利于在多倍體水平上的選擇，培育出優(yōu)良多倍體品種。另外也可以通過改變培養(yǎng)基的化學成分和物理狀態(tài)，使得更利于多倍體細胞的分化以及利用組織培養(yǎng)誘發(fā)不定芽消除嵌合體現(xiàn)象。通過種間雜交后經(jīng)染色體加倍，可以獲得異源多倍體，這不僅可以克服遠緣雜種的育性障礙，也可以避免嵌合體分離這一環(huán)節(jié)直接獲得純合多倍體。另一方面，不是任何植物品種都適合進行多倍體育種。多

18、倍體化在一定程度上可以提高某些次生代謝產(chǎn)物的合成，增強植物某些方面的品質(zhì)，但是每種植物都有自己最適的染色體倍性水平，人工誘導的多倍化應該考慮到物種本身的適應性，不能破壞物種的遺傳性能及自然規(guī)律。在自然界中，多倍化現(xiàn)象普遍存在，但對于多倍化發(fā)生的頻率以及不同植物發(fā)生多倍化的速度方面的了解及研究仍然需要進一步加強。近些年由于分子生物學和細胞遺傳學研究方法的進步，人們對植物多倍體研究不再局限于細胞學特征、形態(tài)特點、生活習性以及地理分布式樣方面，更是在基因組的起源、多倍體的性質(zhì)及多倍體化的分子后果、多倍體基因組的進化動態(tài)方面有了進一步研究。目前針對自然形成的多倍體的基因組進化動態(tài)的研究較多，如四倍體、六倍體小麥的研究，蕓薹屬植物的研究；而對人工誘導加倍后的多倍體，對其基因和基因組的動態(tài)變化與多倍體所獲得的新的進化性狀關系的研究較少，具體到與某一特定的次生代謝物相關的基因及基因組動態(tài)變化的研究報道就更少了。在多倍體分子層面，對功能基因的丟失、沉默和激活的研究有助于加深對多倍體化后基因水平上變化機制的理解，從而更大程度上在植物多倍體化后代中進行相應的性狀改良，提高相應蛋白酶的表達量