藜麥的基因及基因組研究進(jìn)展

龍茜　牛蓓　時(shí)小東　鄒亮　趙鋼　余鑫

摘 要 藜麥?zhǔn)锹?lián)合國(guó)糧農(nóng)組織認(rèn)定的唯一可滿足人體基本營(yíng)養(yǎng)需求的單體植物，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和研究?jī)r(jià)值。隨著第二、三代高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，藜麥的基因組全貌得以揭示，各類(lèi)基因轉(zhuǎn)錄組及重要基因家族研究進(jìn)一步展開(kāi)。基于此，對(duì)近年來(lái)藜麥基因及基因組學(xué)的主要研究進(jìn)行了綜述。未來(lái)藜麥的基因研究仍需加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵性狀和活性成分的全基因組關(guān)聯(lián)分析和調(diào)控機(jī)制等方面的研究，為藜麥生長(zhǎng)發(fā)育和代謝調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 藜麥;基因;基因組;研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：Q943.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.21.084

藜麥（Chenopodium quinoa Willd）為莧科藜亞科藜屬一年生雙子葉自花授粉植物，由于蛋白含量高且氨基酸平衡，是全世界公認(rèn)的全營(yíng)養(yǎng)谷物[1]。其對(duì)土壤干旱、鹽漬等均具有較強(qiáng)的抗逆性，因而具有較高的經(jīng)濟(jì)和研究?jī)r(jià)值[2]。多年來(lái)，藜麥的異源四倍體的基因組復(fù)雜性限制了藜麥的基因組學(xué)的發(fā)展。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量的藜麥序列信息，在遺傳多樣性分析、功能基因及組學(xué)分析方面取得了較大進(jìn)展。基于此，對(duì)藜麥功能基因及組學(xué)研究進(jìn)行綜述，探討藜麥未來(lái)的研究方向，為重要活性物質(zhì)的分子調(diào)控機(jī)理研究、品質(zhì)選育以及抗逆研究提供參考。

1 基因組測(cè)序研究

目前，全球已有數(shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別公布了各自的藜麥全基因組序列[3-5]。其中，2017年Jarvis DE等人[4]在《Nature》上公布了高質(zhì)量的藜麥全基因組序列。他們利用SMART測(cè)序、Bionano光學(xué)圖譜，以及HiRise? Service技術(shù)，組裝得到基因組1.39 Gb，3 486個(gè)骨架（Scaffolds），Scaffold N50為3.84 Mb，439個(gè)最長(zhǎng)的骨架組成90%的基因組，同時(shí)還預(yù)測(cè)得到44 776個(gè)基因。同年，Wang[6]等也完成了藜麥葉綠體基因組測(cè)序工作。藜麥cpDNA全長(zhǎng)為151 169 bp，包含120種基因，其中蛋白編碼基因87種、tRNA 29種、rRNA 4種，總GC含量為37.3%。藜麥全基因組序列的測(cè)序完成為鑒定藜麥基因家族、挖掘功能基因及研究基因功能等提供了極為有利的條件。

2 藜麥生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄組研究

2.1 藜麥三萜皂苷合成途徑的基因及轉(zhuǎn)錄組研究

皂苷是藜麥籽粒種皮外覆蓋的一類(lèi)微苦的物質(zhì)，過(guò)高劑量服用會(huì)產(chǎn)生毒性[2]，這是藜麥?zhǔn)秤猛茝V仍受制約的原因之一。近年的研究顯示皂苷不僅可以作為藜麥品質(zhì)性狀評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，還具有抗氧化、抗腫瘤、抑菌、免疫調(diào)節(jié)等藥理活性[2，4]。因此，與皂苷生物合成相關(guān)的重要基因成為研究熱點(diǎn)之一。姜曉東等[7]以藜麥品種隴藜1號(hào)為材料，通過(guò)RT-PCR技術(shù)克隆得到三萜烯皂苷生物合成途徑中關(guān)鍵酶鯊烯合酶基因（CqSS1、CqSS2）、β-香樹(shù)酯醇合成酶基因（CqbAS）的cDNA全長(zhǎng)序列?；蚪M織特異性表達(dá)顯示，CqSS1和CqbAS在葉片和籽粒中表達(dá)量最高，但在籽粒發(fā)育的不同時(shí)期，表達(dá)水平無(wú)顯著差異[7]。Jennifer FJ等[8]發(fā)現(xiàn)，用茉莉酸甲酯處理甜、苦藜麥（全株和葉片），其皂苷生物合成關(guān)鍵基因CqbAS1轉(zhuǎn)錄本都有較高水平的表達(dá)，而且甜藜麥對(duì)茉莉酸甲酯的反應(yīng)速度要快于苦藜麥，推測(cè)該激素誘導(dǎo)三萜皂苷的合成。此外，研究者還通過(guò)篩選和酵母功能鑒定的方法，最終鑒定出三個(gè)基因CqbAS1、CqCYP716A78和CqCYP716A79，證明與三萜皂苷生物合成相關(guān)。

Jarvis D E等[4]以Kurmi（甜藜麥）×0654（苦藜麥）、Atlas（甜藜麥）×Carina Red（苦藜麥）為研究材料，利用連鎖圖和BSA的方法來(lái)定位基因。在CqB16染色體篩選到兩個(gè)與三萜皂苷化合物合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因TSARL1和TSARL2。TSARL1的轉(zhuǎn)錄結(jié)果顯示其幾乎只在種子中表達(dá)，在甜藜麥品種中表達(dá)量相當(dāng)?shù)?。而且TSARL1轉(zhuǎn)錄本在Kurmi和0654的后代植株中存在可變剪切。其第三個(gè)外顯子最后一個(gè)堿基存在一個(gè)SNP（G2078C），將改變intron/exon剪切邊界，可能使剪切發(fā)生在第三個(gè)外顯子上游，從而導(dǎo)致TSARL1合成提前終止，生成的多肽不具備結(jié)合DNA的能力，喪失了調(diào)控轉(zhuǎn)錄的作用。測(cè)序結(jié)果顯示，所有Kurmi和0654后代中的苦藜麥在上述SNP位點(diǎn)的基因型都為G，而幾乎所有的甜藜麥（除Pasankalla品種）都具有一個(gè)SNP（G2078C）。此外，對(duì)Atlas的測(cè)序發(fā)現(xiàn)，TSARL1除了某些個(gè)體出現(xiàn)相同的G2078C，還有部分個(gè)體因插入序列，而導(dǎo)致基因功能喪失。以上兩種不同的TSARL1突變形式與甜的性狀的相關(guān)性暗示TSARL1基因調(diào)節(jié)了三萜皂苷化合物在藜麥種子中的合成。

2.2 藜麥生長(zhǎng)調(diào)控因子基因的研究

生長(zhǎng)調(diào)控因子（GRF）是一類(lèi)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起重要調(diào)控作用的蛋白。時(shí)丕彪等[9]利用生物信息學(xué)方法在藜麥中鑒定出18個(gè)GRF基因家族成員。蛋白長(zhǎng)度包含77～621個(gè)氨基酸不等，都具有QLQ或WRC保守結(jié)構(gòu)域。表達(dá)圖譜顯示，該家族成員在種子中的表達(dá)量較高，其次是在花序和根中。研究推測(cè)AUR62002094和AUR62028212基因可能與藜麥產(chǎn)量性狀有關(guān)。

NAC家族是植物特異性轉(zhuǎn)錄因子的最大家族之一，參與許多植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和應(yīng)激反應(yīng)。Feng Li等[10]在藜麥中共鑒定出90個(gè)NACs，可分為14個(gè)不同的亞科。不同亞科在基因比例、外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)、基序組成等方面存在差異。11個(gè)CqNACs表現(xiàn)出明顯的組織特異性表達(dá)模式，所有CqNACs在鹽脅迫下均呈陽(yáng)性表達(dá)。

2.3 藜麥脂肪酸代謝途徑的轉(zhuǎn)錄組研究

對(duì)藜麥脂肪酸生物合成途徑相關(guān)基因的挖掘，將為藜麥油脂合成、積累以及后期育種的研究提供理論基礎(chǔ)。時(shí)小東等[1]運(yùn)用Illumina技術(shù)對(duì)藜麥隴藜2號(hào)進(jìn)行不同部位轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，得到7 416條新基因，87條油脂合成相關(guān)的基因?；虮磉_(dá)模式分析顯示，與脂肪酸生物合成相關(guān)的基因在種子表達(dá)呈現(xiàn)整體上調(diào)模式，可能與種子中油脂形成和積累密切相關(guān)。

2.4 蛋白質(zhì)、氨基酸和維生素合成途徑的基因研究

藜麥由于富含必需氨基酸和維生素，是全世界公認(rèn)的全營(yíng)養(yǎng)谷物[1]。Zou等[5]通過(guò)測(cè)序和序列分析，發(fā)現(xiàn)藜麥有7種酶與天冬氨酸轉(zhuǎn)化成賴氨酸途徑有關(guān)，下游DAPAT酶和DAPE酶的基因拷貝數(shù)遠(yuǎn)高于其他谷類(lèi)或甜菜。此外，與維生素B6相關(guān)的5-磷酸吡哆醛合酶、二氫葉酸合酶和四氫葉酸合酶的基因拷貝數(shù)也高于其他種類(lèi)的植物。11S球蛋白和2S球蛋白是藜麥重要的種子儲(chǔ)藏蛋白。Marie RB[11]等人得到兩個(gè)11S球蛋白的基因組和cDNA序列。表達(dá)譜分析顯示，11S球蛋白的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在種子發(fā)育早期表達(dá)量很低，隨后在11S蛋白質(zhì)大量積累時(shí)達(dá)到了基因表達(dá)的高峰，種子成熟后表達(dá)量下調(diào)。

2.5 色素相關(guān)的基因研究

Imamura T等人[12]在藜麥中分離得到甜菜紅素合成途徑中的環(huán)多巴酶基因CqCYP76AD-1、4，5-多巴雙加氧酶基因CqDODA和CqCDOPA5GT。CqCYP76AD-1與下胚軸的色素生成有關(guān)，在下胚軸見(jiàn)光后就開(kāi)始表達(dá)，色素就立刻開(kāi)始在下胚軸富集，能夠保護(hù)下胚軸，提高藜麥的生存能力。該團(tuán)隊(duì)繼而又克隆到藜麥莧菜紅素合成酶基因CqAmaSy1，將上述4個(gè)基因轉(zhuǎn)入煙草BY-2體系，生產(chǎn)莧菜紅素和甜菜苷，莧菜紅素能輕微地抑制癌細(xì)胞，顯著抑制HIV-1蛋白酶活性[13]。

3 逆境脅迫響應(yīng)途徑的轉(zhuǎn)錄組及基因研究

由于藜麥具有較強(qiáng)的抗逆性，其抗逆機(jī)理受到廣泛關(guān)注。目前，基因及轉(zhuǎn)錄組研究主要集中在抗鹽和抗旱脅迫上。

3.1 抗鹽脅迫途徑的基因及轉(zhuǎn)錄組研究

眾多研究發(fā)現(xiàn)，藜麥通過(guò)排出Na+、保持K+、合成可溶性有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物或積累無(wú)機(jī)離子、抗氧化、調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育等策略來(lái)達(dá)到耐鹽的目的[14]。

甘氨酸甜菜堿通過(guò)維持滲透壓，保護(hù)各種酶的活性，從而減緩各類(lèi)脅迫對(duì)植物造成的傷害。在植物體內(nèi)，甜菜堿由膽堿經(jīng)2步氧化生成，而催化第2步反應(yīng)的酶是甜菜堿醛脫氫酶（BADH）。Jiang等[15]克隆到藜麥的CqBADH1基因，其含有1 503 bp開(kāi)放閱讀框。實(shí)時(shí)熒光定量結(jié)果表明，CqBADH1基因在根部表達(dá)量較高，并且隨著鹽脅迫濃度的增高而升高。

Na+外排或區(qū)域化至液泡中是植物保持胞質(zhì)低鹽水平的調(diào)控機(jī)制之一[14]。位于質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1和液泡膜上Na+（K+）/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NHX，在藜麥研究中受到廣泛關(guān)注。Maughan等[16]通過(guò)克隆和篩選BAC庫(kù)得到cqSOS1A和cqSOS1B全長(zhǎng)基因。實(shí)時(shí)熒光定量PCR數(shù)據(jù)顯示無(wú)鹽脅迫（50 mmol·L-1）時(shí)，2個(gè)基因在根部的轉(zhuǎn)錄遠(yuǎn)高于葉片。而高濃度鹽脅迫（450 mmol·L-1）下，這2個(gè)基因在葉片中的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物繼續(xù)上調(diào)，而根的表達(dá)量變化不明顯。為了進(jìn)一步了解藜麥耐鹽和鹽敏感品種在耐鹽機(jī)制上的差異。Ruiz-Carrasco K等人[17]在鹽脅迫下比較智利4種不同品種藜麥CqSOS1和CqNHX1的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物量的差異，數(shù)據(jù)顯示這些基因不但在根和芽的表達(dá)量不同，而且在不同品種藜麥中表達(dá)量也不同。CqSOS1在耐鹽性較高的品種PRJ的根部上調(diào)表達(dá)。CqNHX1在15日齡PRJ、PRP和UDEC 9的離體育苗中表達(dá)增強(qiáng)，而在鹽敏感程度最高的品種BO78中表達(dá)不明顯。在根中，CqNHX1轉(zhuǎn)錄水平也不相同，在耐鹽性最強(qiáng)的品種PRJ中有上調(diào)表達(dá)，而另一種耐鹽品種PRP則沒(méi)有明顯上調(diào)，推測(cè)它們可能具有不同抗鹽策略。

ABA信號(hào)通路被認(rèn)為參與多重信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)植物的生理響應(yīng)，因而該通路在鹽脅迫研究中被重點(diǎn)關(guān)注。Yasui Y等[3]發(fā)現(xiàn)與其他物種相比，部分ABA信號(hào)通路基因家族基因數(shù)量出現(xiàn)擴(kuò)增。Zou等[5]研究顯示藜麥中與ABA信號(hào)通路相關(guān)的部分基因家族（NSY、NCED、SDR、ABCG、PYL）的基因拷貝數(shù)比其他物種（擬南芥、甜菜、馬鈴薯、番茄等）相關(guān)基因都高。鹽脅迫后，大部分ABA通路相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上調(diào)表達(dá)。此外，作為藜麥耐鹽特異化結(jié)構(gòu)的表皮鹽囊泡，與葉片細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄譜上也有著明顯的差異。其離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、H+-ATP酶、糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、ABA合成途徑的部分酶基因（NCED、SDR）的轉(zhuǎn)錄水平都高于葉片細(xì)胞。

Ruiz KB等[18]以藜麥品種R49與VR的種子為研究對(duì)象，對(duì)鹽脅迫后ABA途徑相關(guān)基因（NCED、PYL、PYR、BG1和ABF3）、多胺相關(guān)基因（ADC1、ADC2、SAMDC、SPDS1、SPMS和DAO）、離子穩(wěn)態(tài)相關(guān)基因（CqNHX、CqSOS1α、HKT）以及CycD3、β-EXP1、DREB2α、bZIP24和RD22進(jìn)行基因表達(dá)譜的分析。結(jié)果顯示，鹽脅迫下兩個(gè)品種的藜麥（尤其根部），關(guān)鍵的鹽適應(yīng)策略是基本一致的，而芽中最相似的是ABA途徑的激活，推測(cè)可能與快速調(diào)節(jié)植物水分狀況有關(guān)。但在某些情況下，轉(zhuǎn)錄改變（如NCED、ABF3和RD22）的發(fā)生時(shí)間反映了不同品種對(duì)鹽脅迫適應(yīng)策略的差異。

3.2 抗旱脅迫途徑的基因及轉(zhuǎn)錄組研究

藜麥抗旱脅迫途徑的基因研究主要集中在熱休克蛋白基因家族和脅迫基因成員的轉(zhuǎn)錄組研究上。

熱休克蛋白作為分子伴侶，參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊、裝配、降解和修復(fù)過(guò)程。Morales A等[19]的研究顯示干旱脅迫后，CqHSP20的轉(zhuǎn)錄水平相對(duì)于對(duì)照組表現(xiàn)出很高的上調(diào)（超過(guò)200倍）。同樣，CqLEA、CqCAP160、CqAP2/ERF、CqPP2C、CqHSP83和CqP5CS的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在干旱條件下以不同的幅度上調(diào)。研究還發(fā)現(xiàn)，在ABA生物合成途徑中只有CqNCED3a和CqNCDE3b轉(zhuǎn)錄是上調(diào)表達(dá)，而其余的研究基因都表達(dá)下調(diào)，推測(cè)R49品種表現(xiàn)出不同的抗旱響應(yīng)。Liu等[20]通過(guò)藜麥基因組分析得到16個(gè)HSP70基因家族成員。在將藜麥進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的干旱脅迫后，實(shí)時(shí)熒光定量結(jié)果顯示HSP70基因家族成員的表達(dá)情況各異。有5個(gè)基因和擬南芥HSP70基因家族類(lèi)似成員表達(dá)模式不一致。

4 總結(jié)與展望

通過(guò)回顧藜麥基因及組學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，發(fā)現(xiàn)未來(lái)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有藜麥基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的深入分析和利用，尤其還應(yīng)對(duì)重要基因家族進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，并進(jìn)行后續(xù)的功能驗(yàn)證;加強(qiáng)整合傳統(tǒng)的QTL定位和關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行遺傳鑒定、高通量突變體篩選、優(yōu)良品種與一般品種的比較轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組分析，為育種應(yīng)用研究的轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉昀）