茉莉生殖發(fā)育與分子生物學(xué)特性研究分析

鄧衍明 齊香玉 蘇家樂

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院休閑農(nóng)業(yè)研究所,江蘇 南京 210014)

茉莉[Jasminum sambac (L.) Aiton]又稱茉莉花、茶葉花等,為木樨科(Oleaceae)素馨屬(Jasminum L.)常綠直立攀援灌木。 茉莉花的觀賞、茶用和藥用價值均較高,是重要的花茶和香精原料,深受消費者喜愛[1]。 茉莉原產(chǎn)于印度、巴基斯坦等地,在我國已有約2 000年的栽培歷史,也是“一帶一路”經(jīng)濟植物開發(fā)與應(yīng)用的重要成員之一[2]。 茉莉花廣泛分布于我國廣西、福建、四川、云南、海南、臺灣等地,據(jù)統(tǒng)計,我國茉莉種植面積約占世界總面積的66.7%,鮮花產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上[3]。 茉莉根據(jù)其花瓣的不同可分為單瓣、雙瓣和重瓣(多瓣)3 種類型[4-5],其中單瓣茉莉(臺灣種茉莉或金華茉莉)和重瓣茉莉(虎頭茉莉)總體上生態(tài)適應(yīng)性較弱,抗逆性和產(chǎn)花量較差[6-8],因此目前生產(chǎn)上使用的主要為雙瓣茉莉(廣東種茉莉)。 但雙瓣茉莉經(jīng)過多年的無性繁殖和長期使用,會出現(xiàn)品種性退化,導(dǎo)致其抗性和產(chǎn)花量均降低[3]。 因此,開展茉莉花種質(zhì)創(chuàng)新和品種改良研究具有重要意義。

目有有關(guān)茉莉的研究主要集中于栽培管理、病蟲害防治、化學(xué)成分鑒定、花茶加工、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r等方面[9-12]。 研究表明通過有性繁殖途徑(包括自交和雜交)獲得優(yōu)良性狀是園藝作物育種的主要手段之一,而植物的生物學(xué)特性,尤其是生殖發(fā)育特性,對有性繁殖育種起著關(guān)鍵作用,如只有明確了雜交親本間的生殖障礙是受精前障礙(pre-fertilization barrier)還是受精后障礙(post-fertilization barrier),才能采取針對性措施克服雜交不結(jié)實,獲得預(yù)期的雜交后代[13-15]。 隨著分子生物學(xué)技術(shù)如分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因、基因編輯等的迅猛發(fā)展,其在園藝作物育種領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用。 近年來,國內(nèi)外茉莉生殖發(fā)育和分子生物學(xué)特性方面的研究取得了一定進展,故本文對其進行梳理和分析,以期為茉莉的種質(zhì)創(chuàng)新與品種改良、相關(guān)產(chǎn)業(yè)獲得更好的發(fā)展和明確未來的主要研究方向奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 生殖發(fā)育研究現(xiàn)狀分析

茉莉花的結(jié)實率極低,通常被認為不結(jié)實[16]。 賴明志[17]通過田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)自然結(jié)實茉莉花的比例僅為0.17%。 茉莉“花而不實”的現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注,大量研究者對其生殖發(fā)育特性開展了系統(tǒng)研究,并對生殖障礙產(chǎn)生的具體原因進行了探討。

1.1 雄性生殖發(fā)育特性

張澤岑[18]對茉莉的花粉粒和減數(shù)分裂進行觀察,并通過人工授粉和噴施生長素(2,4-D 和赤霉素)觀察其結(jié)實情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)茉莉的花粉發(fā)芽率最高僅為21.8%,且畸形比例高,認為花粉活力差導(dǎo)致受精結(jié)實低;噴施生長素并授粉后,能夠有效提高茉莉結(jié)實率并延緩果實脫落,說明生長素和某些化學(xué)元素有助于茉莉花授粉。 遺傳與環(huán)境差異、生理機能退化、栽培條件不適等均會導(dǎo)致茉莉花不結(jié)實,但主要原因是小孢子母細胞(pollen mother cell,PMC)減數(shù)分裂不正常。 異常的減數(shù)分裂一方面表現(xiàn)為四分體時期形成了具有高度不孕性的三分體,另一方面表現(xiàn)在茉莉的花粉粒粘連嚴重且大小不一,使得花粉的集群效應(yīng)減弱,從而導(dǎo)致其柱頭上的萌發(fā)率低且花粉管長度短。 賴明志等[19]采用石蠟切片法對茉莉花器官結(jié)構(gòu)和發(fā)育進行了較全面的觀察,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)茉莉花藥在花芽分化前期已出現(xiàn)膨腫和畸形,且在花芽分化中期出現(xiàn)囊壁崩潰的異?，F(xiàn)象;絨氈層在花芽分化前期已過早產(chǎn)生液泡化、解體等功能異常行為;花粉母細胞在整個發(fā)育過程中也常出現(xiàn)液泡化、解離等敗育現(xiàn)象,并出現(xiàn)多孢粘連成團的空癟花粉塊,導(dǎo)致花粉失活。 曾貞等[20]觀察了茉莉雙瓣品種小孢子發(fā)生與雄配子體發(fā)育的過程,發(fā)現(xiàn)其藥壁發(fā)育類型為基本型,由表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層組成,中層細胞在小孢子減數(shù)分裂時期逐漸解體;小孢子敗育起始于減數(shù)分裂中期Ⅰ,雄配子體發(fā)育基本不正常,發(fā)育早期即有花粉管萌發(fā)的異?，F(xiàn)象發(fā)生,且空癟、異形的花粉較多。 但曾貞等[20]對絨氈層的觀察結(jié)果與賴明志等[19]相反,認為茉莉的絨氈層類型屬于異型細胞絨氈層,在小孢子發(fā)育過程中解體較遲緩從而不利于花粉發(fā)育。 以上研究均觀察到花粉發(fā)育過程中的大量異常現(xiàn)象,但在小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育過程中起關(guān)鍵作用的絨氈層細胞的行為上的結(jié)論不一致,且未在細胞或亞細胞水平上對導(dǎo)致育性下降的花粉粘連行為進行更深入的研究。

近年來,鄧衍明等[21]對雙瓣茉莉的花粉離體培養(yǎng)技術(shù)進行了研究,發(fā)現(xiàn)雖然花粉活力因取粉時間不同而存在差異,但總體上萌發(fā)率均較低;培養(yǎng)基種類及不同添加物濃度、pH 值、培養(yǎng)溫度、光照、時間等因素均影響花粉的離體萌發(fā)和花粉管生長。 Deng 等[22]將雙瓣茉莉花芽劃分為7 個發(fā)育階段,對各階段花器官的形態(tài)特征進行了量化描述,并對小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育過程進行系統(tǒng)的細胞學(xué)觀察,發(fā)現(xiàn)小孢子母細胞減數(shù)分裂是同時型,但四分體同時具有四面體和十字交叉2 種類型且不同步現(xiàn)象嚴重,即使在同一個藥室內(nèi)亦有發(fā)生;很多四分體沒有及時解體成游離小孢子而形成了四合花粉(pollen-tetrad)以至于相互粘連成花粉塊(pollen massula),并且約25%的小孢子因不能正常形成外壁而導(dǎo)致發(fā)育遲滯;在粘連的四合花粉塊中通常僅有1 顆花粉粒能正常萌發(fā)形成花粉管,從而極大地降低了花粉活力。 Deng 等[23]進一步采用透射電子顯微鏡對小孢子四分體和絨氈層細胞的超微結(jié)構(gòu)特征進行研究,發(fā)現(xiàn)粘連的四合花粉間有或長或短的胞間連絲(plasmodesma)相通,部分小孢子失活緣于不能正常吸收孢粉素合成自身的外壁;藥室表皮、中層和內(nèi)壁細胞對花粉的發(fā)育基本無不良影響,但絨氈層細胞的不同步分裂和延遲降解導(dǎo)致了花粉塊和異?；ǚ哿?空、癟、小等)的形成。

茉莉的花藥以2 枚為主,偶有1 枚或3 枚,但3 枚花藥的相鄰藥室易發(fā)生融合現(xiàn)象,在花器官發(fā)育過程中還易發(fā)生雄蕊完全退化或雄蕊與花瓣粘連等異常行為。 此外,雄蕊比雌蕊短且花瓣合圍導(dǎo)致的花藥散粉后花粉難以傳播到柱頭,這均對茉莉的雄性育性和結(jié)實產(chǎn)生了不利影響[22]。 但Nair 等[24]對20 份來自不同產(chǎn)地的茉莉花粉進行孢粉學(xué)特征(palynological feature)比較,發(fā)現(xiàn)花粉粒形狀、萌發(fā)孔數(shù)目和外壁紋飾等特征基本一致,僅在花粉外壁的脊(muri)和腔(lumina)上有細微的差別,說明茉莉花粉的形態(tài)在進化上是相對保守的,孢粉學(xué)特征可用于茉莉的分類和親緣關(guān)系研究。

1.2 雌性生殖發(fā)育特性

除了花粉活力差導(dǎo)致的受精率較低外,張澤岑[18]認為胚乳發(fā)育不正常或胚與胚乳生理不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的胚敗育也是影響茉莉結(jié)實的重要原因,尤其是光照強度、溫度和濕度不適而引起的胚囊發(fā)育異常,會致使種子發(fā)育不良或無法形成種子。 賴明志等[19]觀察了茉莉的花器官結(jié)構(gòu)與發(fā)育,發(fā)現(xiàn)茉莉的胚珠無珠被,多為橫生(少數(shù)曲生),屬于蓼型(Polygonum type)胚囊;在花芽分化中期有約99%的卵器、中央細胞和反足細胞敗育及卵細胞發(fā)育不良,其也認為除花粉不育外,卵器異常是茉莉罕見結(jié)實的根本原因。 曾貞等[25]認為茉莉胚珠是單珠被、厚珠心、彎生型,而雌配子體的發(fā)育基本正常并與小孢子及雄配子體發(fā)育過程基本同步,即雌性育性并不是影響茉莉結(jié)實的主要原因。 Deng等[22]發(fā)現(xiàn)雙瓣茉莉子房是兩心室,對生2 個短珠柄的半倒生胚珠,具有單珠被和厚珠心特征;胚囊發(fā)育類型屬于蓼型單孢子胚囊,孢原細胞在幼蕾期已經(jīng)分化為大孢子母細胞,后者在幼蕾變白時即開始減數(shù)分裂并在花蕾膨大時發(fā)育為四分體;隨后在花蕾伸長的過程中,近合點端的一個大孢子經(jīng)過連續(xù)有絲分裂發(fā)育成胚囊,其對大孢子的觀察與曾貞等[25]的結(jié)果相似。 但Deng 等[22]發(fā)現(xiàn)開花時正常雌配子體的比例很低(不到5%),且多數(shù)胚囊在發(fā)育過程中出現(xiàn)停滯、降解等異常行為,尤其是在胚囊發(fā)育的后期(即多核胚囊時期),異常比例接近50%,因此雙瓣茉莉的雌性育性多存在異常。 此外,與大多數(shù)物種的閉合型(實心型)或開放型(中空型)花柱不同,茉莉的花柱是介于這兩類之間的一種中間形式的花柱(上部三分之一實心、下部三分之二中空)[22],而中間型花柱是豆科和石蒜科[26]等少數(shù)物種中才有的花柱形態(tài)。 Deng 等[22,27]研究認為中間型花柱可能會對茉莉授粉后花粉管的生長造成不利影響;進一步開展超微結(jié)構(gòu)的觀察,發(fā)現(xiàn)在茉莉盛花時柱頭細胞已開始凋亡,花柱組織細胞也在花粉管尚未到達胚囊時表現(xiàn)出衰老特征,如代謝活性下降、部分細胞器解體、葉綠體、基質(zhì)片層和淀粉粒數(shù)減少等;單、雙、重瓣茉莉之間的雜交試驗說明,即使不同瓣型茉莉雜交時花粉與柱頭可被認為是親合的,但基于花粉萌發(fā)少、花粉管生長異常和柱頭上的胼胝質(zhì)反應(yīng),表明其并不是高度親合的,即親合性較差;由于受精作用基本無法正常完成,故可判斷茉莉雜交的生殖障礙屬于受精前障礙類型,而胚囊敗育、花粉管無法正常進入柱頭、在花柱中生長受抑等,則是受精前障礙產(chǎn)生的主要原因。

2 分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀分析

與其他園藝植物相比,關(guān)于茉莉分子生物學(xué)特性方面的研究起步較晚,也不夠深入。 自邱長玉等[28]首次采用改良CTAB 法提取茉莉基因組DNA 以來,關(guān)于茉莉分子生物學(xué)特性的研究報道主要集中于分子標(biāo)記開發(fā)、遺傳多樣性分析、香氣物質(zhì)合成相關(guān)酶基因的克隆等方面。

2.1 分子標(biāo)記與遺傳多樣性研究

邱長玉等[29]研究PCR 反應(yīng)體系的主要成分及退火溫度等因素對茉莉花ISSR 擴增結(jié)果的影響,建立了穩(wěn)定的ISSR-PCR 反應(yīng)體系,得到了清晰、多態(tài)性位點豐富、具有較好重復(fù)性的ISSR 帶譜。 在此基礎(chǔ)上,對采自廣西橫縣的30 份茉莉材料進行遺傳多樣性分析,在聚類分析樹狀圖中將30 份資源分為2 大類,表明ISSR 技術(shù)可有效地用于茉莉花的品種鑒別和分子標(biāo)記輔助育種[30-31]。 Ghasemi 等[32]采用ISSR 標(biāo)記對伊朗的8 個種53 份茉莉?qū)儋Y源進行遺傳多樣性分析,基于21 對ISSR 引物產(chǎn)生的981 個不同條帶,將53 份資源也劃分為兩大類,而單瓣、雙瓣和半雙瓣(semidouble)類型被聚在同一個亞類,表明三者間親緣關(guān)系較近。 Li 等[33]應(yīng)用Illumina 鳥槍測序法(霰彈槍定序法)對采自華南植物園和昆明植物園的2 個栽培群體共24 份個體資源進行微衛(wèi)星標(biāo)記(microsatellite marker)開發(fā)研究,獲得1 322 個微衛(wèi)星位點,且有31對引物擴增出多態(tài)性,表明不同栽培個體間有遺傳分化。 近年 來, 劉 忠 等[34]利 用TRAP (target region amplification polymorphism)標(biāo)記技術(shù)對包括單瓣、雙瓣和多瓣茉莉花在內(nèi)的28 份材料進行遺傳多樣性分析,25 對引物共擴增出136 個多態(tài)性條帶,表明參試茉莉花種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性;遺傳相似系數(shù)進行的聚類分析結(jié)果表明,部分茉莉種間存在較大的遺傳差異,但大部分栽培種質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)仍相對較窄,尤其是單瓣、雙瓣和多瓣茉莉間差異較小,被聚到同一個類群。 此外,來源地較遠的茉莉花種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系也相對較遠。

2.2 功能基因相關(guān)研究

茉莉花以其獨特的香氣而被廣泛用于花茶和香精加工產(chǎn)業(yè)。 目前對茉莉花芳香性化合物含量、分離、鑒定等方面已有大量報道,如茉莉花發(fā)育和釋香過程中精油組成與含量變化規(guī)律的研究[35-37]、不同瓣型茉莉在不同花期揮發(fā)性成分的GC-MS 鑒定[38-39]等。 隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展,關(guān)于茉莉功能基因的研究主要集中于與花香物質(zhì)合成相關(guān)的次生代謝產(chǎn)物上,并通過酶、轉(zhuǎn)錄組、基因克隆及生物信息學(xué)分析等研究手段進行分子機制的揭示。

茉莉鮮花的芳香性化合物主要成分為萜烯類和苯丙烷類,萜烯類主要包括羅勒烯[(E)-β-ocimene]、芳樟醇(linalool)和α-法呢烯(α-farnesene),苯丙烷類主要是乙酸芐酯( benzylacetate)、 苯甲酸甲酯(methylbenzoate) 和水楊酸甲酯(methylsalicylate)等[37,40]。 由圖1 可知,萜烯類物質(zhì)的代謝途徑包括甲羥戊酸(mevalonic acid,MVA)途徑和甲基赤酰糖醇磷酸(2-C-methylerythritol 4-phosphate,MEP)途徑,MVA主要合成倍半萜和三萜,是乙酰CoA 經(jīng)一系列酶促反應(yīng)產(chǎn)生異戊烯基焦磷酸(isopentenyl pyrophosphate,IPP)和二甲丙烯焦磷酸(dimethylallyl pyrophosphate,DMAPP)的過程,其中3-羥基-3-甲基戊二?；?輔酶A(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase,HMGR)是關(guān)鍵酶。 MEP 主要合成單萜和雙萜,是丙酮酸( pyruvic acid ) 和 磷 酸 甘 油 醛 ( 3-phosphoglyceraldehyde)在1-脫氧木酮糖-5-磷酸合成酶(1-deoxyxylulose 5-phosphate synthase,DXS)和1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶(1-deoxyxylulose 5-phosphate reductoisomerase,DXR)等酶的作用下產(chǎn)生萜烯類共同前體物IPP 和DMAPP,再經(jīng)不同酶的作用合成牻牛兒基焦磷酸(geranyl pyrophosphate,GPP)、法呢基焦磷酸(farnesyl pyrophosphate,FPP)和牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate,GGPP)的過程[40]。 歐雪鳳[41]以雙瓣茉莉葉片和花蕾為試驗材料,利用RT-PCR 和RACE 技術(shù)獲得了脂肪酸過氧化氫酶(fatty acid hydroperoxide lyase,HPL)和香葉烯D合酶(germacrene D synthase,GDS)基因的cDNA 全長,并在推導(dǎo)出各自氨基酸序列的基礎(chǔ)上研究了其在不同器官和不同花期的表達特性,發(fā)現(xiàn)茉莉JsGDS 基因主要在花蕾中表達,從而為茉莉花屬于“氣質(zhì)花”提供了分子理論依據(jù)。 孫君等[42-44]以雙瓣茉莉花瓣為試驗材料,獲得茉莉花香氣形成限速酶DXS 基因JsDXS 和關(guān)鍵酶GGPPS 基因JsGGPPS,進一步研究發(fā)現(xiàn)這2 個基因的表達均受生物鐘的調(diào)控,并與茉莉花的釋香趨勢相似。

圖1 茉莉花香氣中主要萜類化合物的代謝途徑[40]Fig.1 The metabolism pathway of main scent terpenoids in jasmine flower[40]

圖2 茉莉花香氣中主要苯環(huán)類化合物的代謝途徑(參考Bera 等[40]繪制)Fig.2 The metabolism pathway of main scent benzenoids in jasmine flower(drawing by referencing Bera et al.[40])

由圖2 可知,茉莉花中苯環(huán)類芳香化合物的合成分別以莽草酸(shikimic acid)、分支酸(chorismic acid)、 苯 丙 氨 酸(phenylalanine)、 肉 桂 酸(transcinnamic acid) 等為前體, 在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanin ammonia lyase,PAL)、苯甲醇乙?；D(zhuǎn)移酶(benzyl acetyltransferase,BEAT)、安息香酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶( benzoic acid carboxyl methyltransferase,BAMT)、水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(salicylic acid carboxyl methyltransferase,SAMT)、苯甲醇苯乙?；D(zhuǎn)移酶(benzyl phenyl acetyltransferase,BEBT)、安息香酸水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶( benzoic acid salicylic acid carboxymethyltransferase,BSMT)和芳樟醇合酶(linalool synthase,LIS)等作用下,經(jīng)莽草酸途徑和苯類/苯丙素類途徑生成。 張芊[45]利用cDNA-AFLP 技術(shù)篩選出調(diào)控花香物質(zhì)合成相關(guān)的差異基因100 個,發(fā)現(xiàn)有85 個可能參與了與茉莉花香氣相關(guān)的萜類、苯類/苯丙素類和脂肪酸代謝途徑,并確定了與花香合成途徑相關(guān)、在不同時期的表達差異與cDNA-AFLP 分析結(jié)果一致的6 個基因,即甲羥戊酸磷酸激酶(phosphomevalonate kinase,PMK)基因、阿魏酸-5-羥化酶(ferulic acid 5-hydroxylase,F5H) 基因、脂肪氧合酶(lipoxygenase,LOX)基因、3-酮酯酰-CoA 硫解酶(3-ketoacyl CoA thiolase 2) 基 因、 苯 丙 氨 酸 裂 解 酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)基因和茉莉酸誘導(dǎo)蛋白(jasmonate induced protein)基因。 俞瀅等[46]克隆了萜類合成酶(terpene synthase,TPS)基因的全長cDNA,發(fā)現(xiàn)該基因編碼的氨基酸序列屬于α-法呢烯合酶(α-farnesene synthase)分支,表達量具有隨著花的開放而增加的特性。 Yu 等[47]研究與α-法呢烯合成相關(guān)的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 合酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase,HMGS)、3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase,HMGR)、法呢基焦磷酸合酶(farnesyl pyrophosphate synthase,FPPS)、TPS 等基因在不同花期的表達情況,發(fā)現(xiàn)它們在花器官中的表達特征與α-法呢烯的釋放特征一致,而HMGR 抑制劑洛伐他丁(lovastatin)可導(dǎo)致花朵失去茉莉花獨特的香甜氣味,從而證明了α-法呢烯是茉莉花釋放的一種主要的芳香性化合物。 Bera 等[40]研究PAL 和萜烯類途徑的2個代表性酶即1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶( 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase,DXR)基因和TPS 基因的時空表達特性,以及苯類/苯丙素類物質(zhì)代謝途徑中多個酶的離體活性,包括苯甲酸乙?；D(zhuǎn)移酶 ( acetyl-CoA: benzylalcohol acetyltransferase,BEAT)、安息香酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(Sadenosyl-L-methionine: benzoic acid carboxyl methyltransferase,BAMT)和水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(Sadenosyl-L-methionine: salicylic acid carboxyl methyltransferase,SAMT)等,發(fā)現(xiàn)上述酶基因的活性均呈現(xiàn)與苯環(huán)型和萜烯類化合物釋放相關(guān)的節(jié)律性。 此外,研究還認為茉莉花萜烯類揮發(fā)物的釋放可在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)節(jié),從而為人工控制茉莉花香氣釋放進程提供了理論依據(jù)。

Li 等[48]采用轉(zhuǎn)錄組測序(RNA sequencing)的方法,鑒定出4 577 個差異表達基因(differentiallyexpressed genes,DEGs),Gene Ontology(GO)和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)通路富集分析表明,存在于氧化還原過程(oxidation-reduction process)、胞外區(qū)(extracellular region)、類固醇生物合成 ( steroid biosynthesis )、 鞘 糖 脂 生 物 合 成(glycosphingolipid biosynthesis)、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(plant hormone signal transduction)和戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換(pentose and glucuronate interconversions)六大類中的DEGs 可能與花器官的發(fā)育相關(guān)。 進一步分析發(fā)現(xiàn),分別有5 個花發(fā)育和19 個花香相關(guān)基因表現(xiàn)出至少4 倍的差異,為茉莉的開花機理和分子育種研究提供了較豐富的分子遺傳學(xué)信息。

3 展望

茉莉花并不是完全不能結(jié)實,其果實為紫黑色扁球形漿果狀核果[17,27],其種子在適宜的溫度、光照等條件下,發(fā)芽率可達84%以上,且實生后代苗表現(xiàn)出一定的形態(tài)變異[49]。 因此,通過一定措施提高植株的育性水平,可在一定程度上克服茉莉的生殖障礙,獲得具有變異性狀的自交和雜交后代。

茉莉生殖發(fā)育受到多種因素的影響,如張澤岑[18]發(fā)現(xiàn)光照強度影響茉莉結(jié)實,認為強光照能促進其結(jié)實;鄧衍明等[50]發(fā)現(xiàn)不同濃度秋水仙素處理茉莉腋芽對花芽分化和花器官發(fā)育有顯著影響,不僅出現(xiàn)死蕾等異?，F(xiàn)象,還會導(dǎo)致減數(shù)分裂出現(xiàn)落后染色體、染色體橋和微核等異常行為。 Deng 等[51-53]比較了不同時期和程度的遮陰對雙瓣和重瓣茉莉生長發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)光照不僅影響植株的生理代謝、生化反應(yīng)和解剖結(jié)構(gòu),還影響花芽分化數(shù)和花器官的發(fā)育進程。 由于茉莉花原產(chǎn)熱帶,葉茂宗等[54]認為花芽分化需要24℃以上的高溫,其中花器官發(fā)育的最適溫度為32 ～37℃,且同時需要較強的光照、充足的水分等條件。 因此,通過優(yōu)化環(huán)境因子、提供盡可能與起源地相似的環(huán)境條件,有望提高茉莉花植株的育性水平從而利于結(jié)實,但這些環(huán)境因素和化學(xué)處理影響茉莉花生殖發(fā)育的分子機制,尚需進一步研究。

目前,關(guān)于茉莉花生殖發(fā)育特性的研究多集中在細胞水平,大多通過器官形態(tài)描述、組織切片觀察和細胞結(jié)構(gòu)分析以判斷發(fā)育過程是否正常,而較少涉及化學(xué)物質(zhì)的組成和含量的變化。 如高麗萍等[55-56]研究了茉莉花香氣釋放過程中部分酶和內(nèi)源激素的含量變化,但未涉及其與生殖發(fā)育間的關(guān)系。 Seifert 等[57]研究表明阿拉伯半乳糖蛋白(arabinogalactan-proteins,AGPs)作為植物中一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子家族,在植物配子體形成甚至整個生殖發(fā)育過程中都發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。 擬南芥中AGP1、4、12 和15 在柱頭中表達并和花粉管互作,AGP1 和AGP4 引導(dǎo)花粉管在花柱中生長,而AGP1、AGP4、AGP9、AGP12 和AGP15 則在胚珠中表達,調(diào)控受精過程和胚胎的發(fā)育[58-59]。 此外,長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)已被證實在植物有性生殖中起重要作用,尤其在生殖細胞的特異性分化和染色質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中有重要功能[60]。 因此,考慮到茉莉花粉活力較低、胚囊發(fā)育多不正常、花粉管在花柱中生長受抑等因素,可進一步對AGPs 或lncRNAs 開展研究,或能有效揭示茉莉花生殖障礙的分子機制。

茉莉花香氣合成MVA 途徑中HMGS、HMGR、FPPS 和TPS 4 個關(guān)鍵酶的基因表達情況、DXS 和GGPPS 的表達情況及涉及苯類/苯丙烷類物質(zhì)合成的PAL、 BEAT、 BAMT、 SAMT 等 酶 的 基 因 已 被 報道[40,42-44,47],但以上研究僅針對少數(shù)基因,尚有多個功能基因需進一步發(fā)掘、克隆和解析。 Bera 等[40]發(fā)現(xiàn)了部分酶基因活性與茉莉花瓣中苯環(huán)類和萜烯類化合物釋放相關(guān)的節(jié)律性,但未涉及到對這些酶活性進行周期性控制的基因及功能,因此仍無法解釋茉莉花只在夜里開放、釋香的分子機理,無法為人工控制或改變茉莉花的開放或釋香時間提供理論依據(jù)。 由于生物節(jié)律性是生物體對環(huán)境長期適應(yīng)的綜合反應(yīng),是十分復(fù)雜的生物學(xué)過程,不僅受到時鐘基因(clock gene)(bmal1)的控制,同時也受到表觀遺傳調(diào)節(jié)(epigenetic regulation)及DNA 甲基化(DNA methylation)的調(diào)控作用[61]。 此外,植物芳香性化合物的代謝不僅受到關(guān)鍵酶功能基因的控制,還受到轉(zhuǎn)錄因子(transcript factors,TFs)的調(diào)節(jié)[62]。 Bera 等[40]曾推測茉莉花萜烯類化合物的釋放可能受到轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 Li 等[48]采用轉(zhuǎn)錄組測序方法獲得了與茉莉花發(fā)育和花香相關(guān)的差異表達基因,但這些差異表達基因的功能尚需進一步驗證,轉(zhuǎn)錄因子對這些功能基因的調(diào)控作用也尚需深入研究。

隨著測序技術(shù)的迅猛發(fā)展和成本的快速下降,轉(zhuǎn)錄組、基因組測序已經(jīng)在揭示諸多物種的起源、演化和解析很多重要性狀的分子機制方面發(fā)揮了重要作用[63-65]。 因此,今后可啟動茉莉花的全基因組測序工作,并綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和代謝組學(xué)的技術(shù)手段開展茉莉的分子生物學(xué)特性研究,以全面揭示茉莉花的遺傳背景,為快速實現(xiàn)更多基因的克隆和功能解析提供充足的數(shù)據(jù)資源。