組學技術在蔥屬植物中的研究進展

薛守宇，李濤濤，李冰冰

（1長江大學生命科學學院，湖北荊州 434025；2河南城建學院生命科學與工程學院，河南平頂山 467041）

0 引言

蔥屬植物(Allium)是百合科多年生鱗莖草本植物，通常具有刺激性辛辣氣味和催淚成分，種類繁多。根據(jù)全球生物多樣性信息系統(tǒng)統(tǒng)計，目前全球蔥屬植物有1222 種[1]，廣泛分布于北半球，中國約有100 多種，多分布于東北、西北、華北和西南等地區(qū)，主要包括青蔥、洋蔥、大蒜、韭等。蔥屬類植物多被作為蔬菜、藥物和觀賞植物，在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及醫(yī)藥業(yè)方面均具有重要作用，與人類生活息息相關，在世界范圍內被廣泛栽培和食用[2-3]。有數(shù)據(jù)表明，2020年中國韭菜及蔥科蔬菜種植面積約為6338 hm2，產(chǎn)量約為169313 t，出口數(shù)量為170.3 t(www.chyxx.com)，具有重要經(jīng)濟價值。

目前，與番茄等其他蔬菜作物相比，蔥屬植物中存在基因組測序困難[4]、分子標記研究較少[5]和分類鑒別困難[6]等問題，阻礙了其分子育種進程。此外，蔥屬植物中含黃酮類化合物、多糖、有機硫化合物、揮發(fā)油和含氮化合物等多種活性成分，對人類疾病治療大有裨益，但其合成途徑、調控方式和作用機制有待進一步探索。組學是最近幾十年發(fā)展起來的新學科，包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等。組學技術能夠獲得一個生命體、組織、器官、單細胞的全部遺傳信息、轉錄信息、蛋白質和代謝產(chǎn)物，已廣泛應用于植物分子標記開發(fā)、活性物質定性及定量、抗逆機制解析和器官發(fā)育等方面[7-12]，可為蔥屬植物藥用價值開發(fā)和利用、逆境適應機制研究和優(yōu)良品種選育等提供便利。筆者綜述了近年來基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學和多組學聯(lián)合的方法在蔥屬植物中的應用研究，以期為蔥屬植物系統(tǒng)分類、遺傳改良、加工貯藏和分子育種等提供理論參考。

1 基因組學

基因組學的概念最早于1986 年由美國遺傳學家Thomas Roderick 提出?；蚪M學是對生物體所有基因進行集體表征、定量研究及不同基因組比較研究的一門交叉生物學學科，主要研究基因組結構、功能、進化、定位和編輯等?；蚪M測序是基因組學的基礎，測序行業(yè)經(jīng)歷了一代Sanger 測序、二代高通量測序、三代單分子實時測序和HiFi 測序[13]。從二代測序開始，基因組學飛速發(fā)展，大量植物基因組得以測定。一些重要作物或園藝植物基因組的測定，如水稻、小麥、番茄、黃瓜等，加快了植物育種篩選進程[14]。而在蔥屬植物中，基因組學為其基因組測序、分子標記開發(fā)和親緣關系鑒定提供了強有力的手段。

1.1 基因組測序

與其他真核生物相比，幾乎所有蔥屬物種都有相對較大的基因組，如洋蔥(2n=2x=16，1C=18.16×109bp)、分蔥(2n=2x=16，1C=10.43×109bp)、藠頭(2n=4x=32，1C=12.84×109bp)等[15]，相當于水稻(399.8 Mb)、小麥(4.79 Gb)等基因組的幾倍甚至幾十倍。大多數(shù)基因組大小的變化都可以由重復DNA數(shù)量差異來解釋，如轉座元件(TES)、串聯(lián)重復序列和長末端重復(LTR)反轉錄轉座子[16]。研究表明，洋蔥至少95%的基因組由重復序列組成。因此，蔥屬植物基因組大和重復性高使其參考基因組組裝面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著測序技術不斷發(fā)展，洋蔥、大蒜基因組測序相繼完成。Finkers等[17]結合Illumina HiSeq 2500以及PacBio測序系統(tǒng)對洋蔥進行基因組組裝，最終大小為14.9 Gb，其中72.4%的基因組被鑒定為重復序列，并且在很大程度上由逆轉錄轉座子組成。Sun等[18]結合SMRT、Nanopore等測序系統(tǒng)，報道了大蒜染色體級別參考基因組，大小約為16.24 Gb，組裝質量較好，重復序列占比高達91.3%，是迄今為止發(fā)現(xiàn)重復序列比例最高的基因組，并且是蔥屬植物中第一個完成全基因組測序的物種。因此，測序技術發(fā)展加快了蔥屬植物基因組測序進程，可為韭菜、青蔥等其他蔥屬植物的基因組測序及組裝提供參考。

1.2 分子標記開發(fā)

分子標記屬于遺傳標記的一種，可以對不同發(fā)育時期的個體、組織器官甚至細胞做檢測，數(shù)量極多，幾乎覆蓋整個基因組，具有較高的多態(tài)性，且穩(wěn)定遺傳，不受環(huán)境和基因表達限制，常見的分子標記包括簡單重復序列(simple sequence repeat，SSR)、簡單重復序列間區(qū)標記(inter simple sequence repeat，ISSR)、擴增片段長度多態(tài)性標記(amplified fragment length polymorphism，AFLP)、隨機擴增多態(tài)性DNA(randomly amplified polymorphic DNA，RAPD)、單核苷酸多態(tài)性標記(single nucleotide polymorphisms，SNP)等[19-20]。目前，分子標記開發(fā)廣泛用于植物遺傳育種、基因定位、物種親緣關系鑒定和基因庫構建等。

在蔥屬植物中，基因組大和雜合性高等特征限制其分子標記資源開發(fā)，隨著測序技術發(fā)展，大量基因組SNPs得以識別和分析。Lee等[19]利用雙端(paired-end，PE)雙酶切限制性酶切位點相關DNA 測序技術(double digested restriction site- associated DNA sequencing，ddRAD-seq)在洋蔥中識別1904 個SNPs。Fang 等[21]基于全基因組特定長度擴增片段(specificlocus amplified fragment sequencing，SLAF)測序法對大蒜、韭菜和洋蔥3 種蔥屬植物幼嫩葉片組織進行測序分析，共產(chǎn)生162321個高質量SNPs。Labate等[22]使用基因分型測序(GBS)在洋蔥中共識別895 個高質量SNPs，其中有284 個SNPs 定位于遺傳圖譜上。類似地，Jo等[23]對來自洋蔥自交系NW-001和NW-002雜交所得F2群體和多個親本進行GBS分析，并從從頭組裝重疊群中嚴格篩選出10091 個高保真SNPs 用于構建洋蔥遺傳圖譜，最終圖譜包含8個連鎖群，遺傳長度為1383 cM，平均標記間距為8.08 cM，這為洋蔥育種中重要農(nóng)藝性狀遺傳作圖和分子標記輔助選擇提供有價值的理論指導。綜上，測序技術的發(fā)展為蔥屬植物分子標記開發(fā)和遺傳圖譜構建提供了便利。

1.3 親緣關系鑒定

葉綠體DNA(chloroplast DNA，cpDNA)具有單拷貝、分子量小、結構簡單且高度保守等特點，已被廣泛用于細胞質遺傳、植物系統(tǒng)發(fā)育、遺傳多樣性分析、親緣關系鑒定等多方面研究[24]。在蔥屬植物中，孫雨晴[25]基于高通量測序技術得到大蔥、大蒜、洋蔥、韭菜葉綠體基因組序列，經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育分析得出韭菜從它們共同祖先中起源最早，隨后大蒜成為一個獨立分支，大蔥與洋蔥起源時間相近，具有較近的親緣關系。Li等[26]發(fā)現(xiàn)大花韭與粗根韭葉綠體基因組大小分別為152148、152931 bp，系統(tǒng)發(fā)育分析表明兩者具有較近的親緣關系。此外，楊俏俏等[27]對藠頭葉綠體實行了全基因組測序，后續(xù)系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)藠頭與其他蔥屬植物聚為一支，其中與洋蔥、大蒜的親緣關系較太白韭和高葶韭更為相近。由此可見，蔥屬植物葉綠體基因組測序有助于蔥屬植物系統(tǒng)發(fā)育分析以及不同蔥屬植物比較基因組學研究，從而加深人們對蔥屬植物進化的認知。

2 轉錄組學

轉錄組學是指一門在整體水平上研究細胞中基因轉錄情況及轉錄調控規(guī)律的學科，能反映生物個體在特定器官組織或某一特定發(fā)育生理階段所有基因表達水平，可用于比較不同組織或生理狀況下基因表達差異，是研究細胞表型和功能的重要手段。轉錄組通常是狹義上的轉錄組，指細胞中所有參與蛋白質翻譯的信使RNA(mRNA)總和[28]。轉錄組學研究技術主要分為微陣列技術和轉錄組測序技術2類，轉錄組測序技術包括表達序列標簽技術、基因表達序列分析技術、大規(guī)模平行測序技術、RNA-Seq、納米孔單分子測序技術和單分子實時測序。其中RNA-Seq技術應用最為廣泛。目前，轉錄組學已被用于蔥屬植物脅迫響應、分子標記開發(fā)、雄性不育機制解析、組織器官發(fā)育等方面研究。

2.1 脅迫響應

蔥屬植物如洋蔥、大蒜、韭菜等，由于環(huán)境或氣候條件變化，常常遭受各種脅迫，導致作物減產(chǎn)并造成巨大經(jīng)濟損失[29]，其在逆境復雜分子機制下對培育優(yōu)良抗逆品種具有重大意義。植物生長過程受到生物脅迫和非生物脅迫，非生物脅迫包括光照、溫度、干旱、鹽堿化、機械損傷等，生物脅迫包括蟲害、病原菌侵染等。轉錄組學技術在揭示蔥屬植物非生物脅迫分子機制中發(fā)揮著重要作用（見表1）。Han 等[30]對耐冷及冷敏感型洋蔥進行轉錄組測序分析，發(fā)現(xiàn)2 種類型洋蔥在冷凍溫度和對照溫度下差異表達基因主要富集于碳水化合物、能量、核酸、維生素等代謝相關途徑，表明這些基因表達水平變化可能在分子水平影響洋蔥抗寒性。與冷脅迫相反，Galsurker 等[31]對熱處理下的洋蔥內部鱗片進行轉錄組分析，發(fā)現(xiàn)與信號轉導、激素信號、熱休克蛋白激活、轉錄因子作用、活性氧清除活性和滲透保護劑代謝等相關的基因在熱脅迫處理后高度表達，參與洋蔥鱗片防御。因此，轉錄組學在洋蔥低溫、高溫脅迫下的應用可為鑒定候選耐熱、耐寒基因提供寶貴資源，有助于闡明蔥屬植物響應溫度脅迫機制。另外，洋蔥是一種淺根植物，也極易受到干旱脅迫，Ghodke等[32]測定干旱脅迫下洋蔥轉錄組，發(fā)現(xiàn)耐旱和干旱敏感型洋蔥中轉錄因子、細胞色素P450、膜轉運蛋白和類黃酮基因以及與碳水化合物代謝相關基因差異表達，有助于理解其干旱脅迫響應機制。干旱同樣限制了大蒜的生長發(fā)育，造成產(chǎn)量損失。王紫彤等[33]通過轉錄組測序發(fā)現(xiàn)大蒜AsHEMA、AsHEMB、AsGSA、AsCHLD、AsCHLI、AsCAO基因家族在響應干旱脅迫中發(fā)揮重要作用，表明葉綠素生物合成對大蒜抗旱至關重要，進一步解析了蔥屬植物抗旱機制。大蒜產(chǎn)量也常受土壤鹽堿化制約，解析大蒜鹽分響應機制對于提高其耐鹽性尤為必要。Kong 等[34]基于轉錄組測序發(fā)現(xiàn)鹽敏感品種苯丙烷類化合物生物合成途徑以及編碼油菜素類固醇(BR)生物合成途徑相關轉錄本顯著下調，最終使得木質素含量顯著降低，表明BR介導的木質素積累可能在大蒜對鹽脅迫的適應中起重要作用。Wang 等[35-36]基于轉錄組的分析表明，鹽脅迫誘導的差異基因顯著富集在淀粉和蔗糖代謝、植物激素信號轉導、黃酮和黃酮醇生物合成等通路，并在大蒜中識別了46 個響應鹽脅迫的AsNAC基因。這些研究為耐鹽大蒜品種開發(fā)提供了寶貴資源。在所有非生物脅迫中，利用轉錄組學技術手段可以篩選到與蔥屬植物脅迫響應的相關代謝通路和候選基因，但后續(xù)基因功能以及基因互作等還需要分子實驗進一步驗證。

表1 轉錄組學在蔥屬植物脅迫響應中的應用

轉錄組學技術同樣為蔥屬植物生物脅迫研究提供便利。在洋蔥栽培和儲藏過程中，灰霉屬的多種真菌會引起病害，造成經(jīng)濟損失，使用殺菌劑和栽培防治方法來控制灰霉病種類是短期和費力的，并且增加了病原菌的抗藥性，更嚴重還會污染環(huán)境以及危害人類健康。對此，Lee 等[37]基于RNA 測序分析發(fā)現(xiàn)茉莉酸酰胺合成酶(JAR1)、冠菌素不敏感蛋白1(COI1)和轉錄因子MYC2基因與洋蔥灰霉病抗性顯著相關。相似地，Kim等[38]基于轉錄組分析發(fā)現(xiàn)灰霉病抗性品系中高表達醛酮還原酶(AKR)基因，并在此基礎上開發(fā)出篩選灰霉病抗性品系的SNP 標記。這為洋蔥灰霉病抗性品種的培育提供基因資源，有助于從根源上解決洋蔥灰霉屬病原菌侵染問題。洋蔥紫斑病是由蔥鏈格孢菌引起的一種葉部病害，普遍存在于世界各地，嚴重影響洋蔥產(chǎn)量和品質，但洋蔥防御蔥鏈格孢菌分子機制仍未可知。Khandagale 等[39]通過轉錄組學分析發(fā)現(xiàn)，洋蔥中與發(fā)病原相關(PR)蛋白、受體樣激酶、植物激素信號、細胞壁完整性、細胞色素P450單加氧酶和轉錄因子相關基因在感染病原菌前后差異表達，且基因GAT-1、ANKRD、XET、PR-5只在抗性系洋蔥中過表達，進而構建了洋蔥響應紫斑病轉錄圖譜，為闡明洋蔥抗病分子機制提供了寶貴資源。除病原菌侵染外，病蟲害也是影響蔥屬植物產(chǎn)量的關鍵因素。韭菜遲眼蕈蚊是蔥蒜類蔬菜的重要害蟲，尤喜食韭菜，可以造成一半以上蔥蒜類作物損失，且由于隱蔽的生活方式和快速進化的能力，韭菜遲眼蕈蚊很難控制，因此培育遲眼蕈蚊抗性韭菜品種至關重要，但有關其響應遲眼蕈蚊分子機制仍不清楚。對于該蟲害防治相關研究主要從遲眼蕈蚊本身入手[40-41]。基于上述洋蔥生物脅迫相關研究，轉錄組學研究方法在分析韭菜等蔥屬植物對遲眼蕈蚊脅迫響應分子機制以及培育遲眼蕈蚊抗性品種中有巨大潛力。

2.2 分子標記開發(fā)

表達序列標簽(expressed sequence tag，EST)是由一個隨機選擇的cDNA克隆，進行5’端和3’端單一次測序挑選出來獲得的短的cDNA 部分序列，代表一個完整基因的一小部分，在數(shù)據(jù)庫中其長度一般20～7000 bp 不等。EST 作為表達基因所在區(qū)域的分子標簽，因編碼DNA 序列高度保守而具有自身的特殊性質，基于EST 開發(fā)的EST-SSRs 和EST-SNPs 與基因組SSRs和SNPs相比，具有不同物種間通用性較好、開發(fā)方法簡便、成本低廉、基因表達信息獲取更為容易等優(yōu)點，可以作為基因定位分析的可靠標記[42]。

在大蒜中已經(jīng)開發(fā)出較多的EST-SSRs標記。Liu等[43]利用Illumina 雙端測序得到135360 個ESTs，從中識別2446個EST-SSRs，具有較高的種間可轉移性，其中三核苷酸重復基序類型最豐富。Chand 等[44]從21694 個大蒜EST 序列中鑒定出642 個非冗余ESTSSRs，單核苷酸重復基序類型最為豐富，遺傳多樣性分析表明其具有良好的種間轉移性。Barboza 等[45]從大蒜EST中開發(fā)110個EST-SSRs標記，三核苷酸頻率最低，二核苷酸和四核苷酸頻率最高。除蘆筍目外，與親緣關系較遠的單子葉植物相比，蔥屬物種EST 在SSR密度、頻率分布、序列基序和GC含量方面有明顯共同之處，許多EST-SSRs標記已成功在蔥屬植物間轉移，包括尚未開發(fā)出SSRs 標記的作物，如韭菜、大蔥等。這些EST-SSRs 標記的開發(fā)有助于確定大蒜轉錄本特征，協(xié)助繪制和完善大蒜遺傳圖譜以及加快大蒜和其他蔥屬植物遺傳研究和育種進程。

2.3 雄性不育機制解析

植物細胞質雄性不育(cytoplasmic male sterility，CMS)是由線粒體基因重排產(chǎn)生不育基因，引起植株自身不能產(chǎn)生或釋放功能性花粉粒，但可接受外來花粉完成受精并產(chǎn)生后代的現(xiàn)象[46]，是利用作物雜種優(yōu)勢的重要途徑，也是研究核質互作的重要模式。蔥屬植物中洋蔥是世界上最早利用雜種優(yōu)勢的蔬菜作物之一，洋蔥CMS 是洋蔥核基因與細胞質相互作用的結果，是洋蔥育種中常用的雄性不育類型，然而，洋蔥CMS 形成分子調控機理尚不清楚。Kim 等[47]基于RNA-seq表明參與DNA錯配修復基因AcPMS1為洋蔥育性恢復候選基因。Yuan 等[48]對洋蔥細胞質雄性不育系SA2 和保持系SB2 四分體階段花藥RNA 進行測序，基因差異表達分析表明細胞質基因（線粒體能量代謝相關基因cox1和atp9）和核基因（絨氈層發(fā)育相關基因AG、AMS和SERK1）可能參與洋蔥CMS。類似的，杜敏霞等[49]基于RNA-Seq分析發(fā)現(xiàn)核酸內切酶活性、果膠酯酶活性等與洋蔥雄性不育植株的花器官敗育有一定的聯(lián)系，而碳水化合物代謝和能量代謝可能與洋蔥育性有關，這為洋蔥CMS 相關基因研究提供重要信息，有助于進一步了解洋蔥CMS分子機制。此外，Liu等[50]利用轉錄組測序技術比較大蔥不育系和保持系之間的差異，差異基因主要與F 型ATPase、NADH 脫氫酶、細胞色素c 氧化酶等相關，表明大蔥CMS 調控基因和途徑可能也與線粒體和細胞核相關；Shemesh-Mayer等[51]對大蒜雄性可育及不育系進行轉錄組比較分析，鑒定影響大蒜育性候選基因包括AP3、MMD1、MS2、GPAT2、nad7、ccmC、18SrRNA，表明大蒜中呼吸限制或絨氈層非調節(jié)性程序性細胞死亡可能導致能量缺乏和隨后的花粉敗育。總之，轉錄組學為洋蔥、大蔥、大蒜等蔥屬植物雄性不育系在其雜種優(yōu)勢中的利用提供了理論依據(jù)（見表2）。

表2 轉錄組學在蔥屬植物雄性不育機制解析中的應用

2.4 組織器官發(fā)育

已知大蒜商業(yè)品種和地方品種不會產(chǎn)生花朵或種子，只能進行無性繁殖，阻礙其遺傳研究和常規(guī)育種。已有研究發(fā)現(xiàn)，許多大蒜品種已經(jīng)實現(xiàn)育性恢復，主要來自中亞地方品種，通過環(huán)境控制誘導開花和種子生產(chǎn)，從而為深入研究這種植物生理和遺傳以及常規(guī)和分子育種開辟道路[52]。但目前有關大蒜花發(fā)育分子機制仍未闡明，Kamenetsky 等[53]在大蒜轉錄組中識別出大量與花發(fā)育相關基因(FT、AP2、SEP1、AG)的同源基因序列，其中FT同源基因序列在大蒜花和花序、根和蒜瓣中顯著過表達。類似地，Lee等[54]通過轉錄組分析表明洋蔥開花與AcFT2上調有關。此外，F(xiàn)T也參與洋蔥鱗莖形成，其中AcFT1促進鱗莖形成，而AcFT4阻止AcFT1上調并抑制洋蔥鱗莖形成，Zhang 等[55]通過RNA-Seq 表明蔗糖轉運蛋白相關基因在洋蔥鱗莖早期發(fā)育階段起重要作用。Khosa等[56]基于轉錄組分析發(fā)現(xiàn)PISTILLATA、AGAMOUS、SEPALLATA3、APETALLA3和AGAMOUSLIKE6參與洋蔥花發(fā)育，這為蔥屬植物花發(fā)育、鱗莖發(fā)育相關研究提供寶貴資源。Sun 等[57]分析大蒜莖端轉錄圖譜，表明ENHYDROUS、DAG1、DAM、DTH8等基因在莖尖萌發(fā)過程中起關鍵作用，可以作為蔥屬植物莖端萌發(fā)調控相關候選基因。Liu 等[58]基于轉錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)外源應用GA3可下調AsGA20ox的表達，同時上調AsCyP735和AsAHK表達，從而激活腋生分生組織，進而促進大蒜鱗芽形成。蔥屬植物中大蔥和洋蔥都為瘺管葉物種，研究發(fā)現(xiàn)，瘺管葉形成過程涉及PCD[59]，PCD 是一種自發(fā)的、程序化的、自毀的細胞過程，在組織分化、動態(tài)平衡和器官形態(tài)發(fā)生中發(fā)揮關鍵作用。然而，由于可利用遺傳資源有限，目前還沒有分子證據(jù)證明PCD參與大蔥瘺管葉形成。Zhu 等[60]通過比較6 種管狀葉和3 種實心葉蔥屬植物轉錄本，發(fā)現(xiàn)許多與植物PCD 有關的線粒體、葉綠體和核基因只在管狀葉植物中表現(xiàn)正向選擇，或者在管狀葉植物中表現(xiàn)中性選擇，但在實葉植物中表現(xiàn)凈化選擇，揭示出PCD相關基因可能在大蔥管狀葉內腔形成中起重要作用，且物種管狀葉和實心葉不同選擇模式可能是導致管狀葉進化的原因。在蔥屬植物組織、器官發(fā)育過程中，轉錄組組學分析一方面從分子水平揭示不同器官形成機理或相同組織器官差異機制（見表3）。另一方面，通過相關基因的篩選，如大蒜鱗芽形成相關基因篩選，后續(xù)可以基于基因工程手段提高關鍵基因表達，繼而提高大蒜產(chǎn)量和品質。

表3 轉錄組學在蔥屬植物組織器官發(fā)育中的應用

3 蛋白質組學

蛋白質組學是一種可以在特定時刻和環(huán)境條件下對細胞、組織或生物體中蛋白質進行高通量分析的技術，主要涉及蛋白質鑒定、定位和定量，以及蛋白質修飾分析和蛋白質-蛋白質互作網(wǎng)絡闡明[61]。由于存在翻譯后修飾、易位等事件，mRNA 轉錄本豐度并不總是代表其同源蛋白質水平，蛋白質作為最終基因產(chǎn)物，能提供更為全面的圖景。蛋白質組學技術包括雙向凝膠電泳、等電聚焦、生物質譜分析等。

在蔥屬植物中，一些非生物脅迫會導致蔥屬植物體內蛋白質含量發(fā)生變化，進而抵御逆境，通過蛋白組學技術手段可以深入研究這些變化。Lyu等[62]在洋蔥對照組和鉛處理組識別出17 個差異表達蛋白質。Karasinski 等[63]采用液相色譜-高分辨質譜儀(LC-MS)發(fā)現(xiàn)硒(IV)處理前后導致洋蔥根部8 個蛋白豐度發(fā)生變化，包括熱休克蛋白、病原菌相關蛋白等。Chen等[64]發(fā)現(xiàn)冷凍誘導洋蔥鱗片中抗氧化劑、應激蛋白、分子伴侶等蛋白質積累，一部分在解凍后下降，恢復期間并無積累，另一部分只表達在凍融損傷期間。類似的，Dufoo等[65]發(fā)現(xiàn)大蒜種子經(jīng)低溫處理后，細胞生長、抗氧化/氧化狀態(tài)、大分子運輸、蛋白質折疊和轉錄調控等不同生理過程中蛋白質積累發(fā)生變化，以使植物適應當前脅迫環(huán)境。臘八蒜是大蒜經(jīng)過醋腌制過的食品，由于其中含有多種抗氧化成分，深受人們喜愛，但其綠變前后蛋白成分變化仍未可知。Li等[66]通過蛋白組學分析發(fā)現(xiàn)大蒜在經(jīng)過腌制后其中重要的蒜氨酸酶失活，蒜氨酸酶可以催化蒜氨酸轉化為大蒜素，該酶的失活或許有助于臘八蒜獨特風味形成。除逆境脅迫外，Wu等[67]分析了紅、黃洋蔥上表皮蛋白組差異，表明查爾酮-黃酮異構酶和類黃O-甲基轉移酶1 含量的差異可能是導致紅洋蔥和黃洋蔥鱗片顏色差異的原因。蛋白組學為蔥屬植物響應逆境脅迫提供新見解，但僅局限于不同處理下差異蛋白識別，多數(shù)蛋白質翻譯后經(jīng)磷酸化、糖基化等修飾后才具有生物學功能，對于蛋白質功能研究在蔥屬植物中還未見報道。

4 代謝組學

代謝組學是通過對生物體內所有代謝物進行定量分析，尋找代謝物與生物生理或病理方面變化關系的一門新學科，分析手段包括氣相色譜-質譜聯(lián)用(GCMS)、液相色譜-質譜聯(lián)用(LC-MS)、超高效液相色譜-質譜聯(lián)用(UPLC-MS)、毛細管電泳-質譜聯(lián)用(CE-MS)及核磁共振(NMR)等[68]，相比于其他組學，代謝組受環(huán)境影響最大，代謝物變化直接導致表型變化，與表型最為接近。在蔥屬植物中，洋蔥作為一種調味品，具有較高經(jīng)濟價值，但其采收后儲藏往往影響品質變化，因此，明確洋蔥貯藏期間關鍵代謝成分變化非常必要。Saviano 等[69]基于核磁共振(NMR)發(fā)現(xiàn)不同洋蔥品種在貯藏后其糖類、氨基酸含量有不同程度的增加或降低，風味前體物質大部分表現(xiàn)為升高趨勢，且丙酮酸含量降低，從而減少洋蔥氣味刺激性。Pérez等[70]提出因呼吸作用和能量需求導致冷藏洋蔥果聚糖含量減少，單糖含量增加，并改變其氨基酸濃度進而對香氣前體生成產(chǎn)生影響。這些研究為貯藏性優(yōu)良的洋蔥品種篩選提供理論參考。

相比于洋蔥，大蒜在國內種植更為廣泛，且品種繁多，這就給大蒜種植資源構建和優(yōu)良品種培育帶來困難。孫亞麗[71]利用LC-MS 和GC-MS 測定南歐蒜、金鄉(xiāng)大蒜和蒼山大蒜的差異代謝物為亮氨酸、半乳糖、葡萄糖、2,3-二羥基丁二酸、6-磷酸葡萄糖等，為國內大蒜種質資源創(chuàng)新提供一定依據(jù)。劉平香[72]采用超高相液相色譜串聯(lián)質譜(UHPLC-MS/MS)靶向檢測方法對國內6個省份242份大蒜樣品中大蒜素、7種風味前體物質和21種游離氨基酸的含量水平及差異進行研究，為大蒜品種選育提供評價依據(jù)和材料基礎。Abdelrahman等[73]采用LC/MS技術對30份不同地理區(qū)域大蒜種質的葉片組織代謝譜進行研究，并對供試大蒜種質的根和蒜瓣中總皂苷和果聚糖的含量進行分析，為大蒜種質資源選擇和培育具有脅迫適應特性的新品種提供有用信息。黑蒜是新鮮大蒜在一定溫度和濕度條件下加工而成的大蒜深加工產(chǎn)品，外觀呈現(xiàn)黑色、質地軟彈、風味獨特，具有殺菌消炎、調節(jié)血糖血脂、抗氧化等功能[74]，作為保健食品深受人們喜愛，但在黑蒜加工過程中相關成分變化及其抗病機制仍不清楚。Molina等[75]采用高效液相色譜-電噴霧離子化-四級桿串聯(lián)飛行時間質譜法(HPLC-ESI-QTOF-MS)對3個大蒜品種的新鮮大蒜和黑蒜提取物進行分析，發(fā)現(xiàn)熱處理顯著改變了大蒜中氨基酸家族組成和有機硫化合物。相似地，William 等[76]利用超高效液相色譜-四級桿-靜電場軌道阱高分辨質譜(UHPLC-Q-Orbitrap HRMS)對黑蒜進行比較代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)在熱處理過程中，大蒜素、二烯丙基二硫等有機硫化合物的表達下調，大量甘油磷脂、莽草酸、芳香族氨基酸含量顯著增加；Zhang等[77]基于液相色譜-四級桿-飛行時間質譜(LC-Q/TOF)分析發(fā)現(xiàn)正常大蒜與黑蒜中糖類、氨基酸和糖胺化合物等物質含量顯著差異，并表明黑蒜對疾病治療作用主要歸功于其中的糖胺化合物。這些發(fā)現(xiàn)擴大了黑蒜加工的已知代謝組空間，更好地闡明關鍵代謝物的反應性，為理解黑蒜生化變化提供更深入的見解。

由此可見，代謝組學為蔥屬植物優(yōu)良品種選育以及蔥屬植物資源在食品、醫(yī)療領域的應用提供有力的研究手段，但多數(shù)研究集中于洋蔥和大蒜，對于韭菜、大蔥和其他野生蔥屬植物研究頗少?；舳降萚78]利用UPLC-MS/MS對2種韭籽化學成分進行廣泛靶向代謝組學分析，在韭籽中發(fā)現(xiàn)多種甾體皂苷，可以作為甾體皂苷提取的新植物來源，有助于解決甾體皂苷植物資源短缺的問題，構建的韭籽甾體皂苷生物合成途徑也有助于了解不同種類藥用植物中甾體皂苷代謝途徑差異。因此，對韭菜、大蔥及其他野生蔥屬植物資源進行代謝組學分析將有助于蔥屬植物資源更為廣泛的開發(fā)和利用。

5 多組學

多組學也稱為集成組學、泛組學和跨組學，旨在整合2個或多個組學數(shù)據(jù)集，進行數(shù)據(jù)分析、可視化和解析，以明確某種生物過程的機制。在中心法則中，DNA水平的基因組學處于最上游，但由于存在表觀遺傳修飾、轉錄后修飾、環(huán)境影響等因素，基因并不能完全決定最后的表型，單一組學數(shù)據(jù)難以系統(tǒng)全面地解析復雜生理過程的調控機制，相對而言，多組學聯(lián)合分析可以共同探究生物體內潛在的調控網(wǎng)絡機制，為生物體作用機制提供更多證據(jù)。在蔥屬植物中，轉錄組學與蛋白組學聯(lián)合分析已被用于大蒜綠變機制解析等[79]。相似地，轉錄組學與代謝組學聯(lián)合分析被應用于脅迫響應[80]、類黃酮生物合成[81]、韭蔥氣味變化[82]等研究。苯丙烷代謝途徑是重要的植物次生代謝途徑之一，研究植物中苯丙烷代謝物的合成及其調控的分子機制對于發(fā)展分子設計育種至關重要。Wu 等[79]對大蒜進行轉錄組學與蛋白組學關聯(lián)分析，轉錄組分析發(fā)現(xiàn)苯丙烷代謝途徑是差異基因最重要的富集途徑，蛋白組學分析發(fā)現(xiàn)與苯丙烷生物合成相關的10 個差異蛋白表達上調，與轉錄組相互驗證揭示出低溫可能通過苯丙烷代謝途徑導致大蒜綠變的發(fā)生。趙亞平[83]對大蒜進行轉錄組與代謝組聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)大蒜苯丙烷合成途徑差異最顯著，該通路中有202 個差異基因和10 個差異代謝物，其中有131 個基因和8 個代謝物高度相關，表明其在大蒜的休眠萌發(fā)中發(fā)揮重要作用。因此，多組學的應用有助于同時從多個層面更精準、全面分析蔥屬植物相關分子機制。反之，出于對蔥屬植物相關分子機制解析的需求，相對于單組學而言，多組學聯(lián)合分析勢必會成為一種更加強有力的手段。

6 結論和展望

組學技術的應用在蔥屬植物分子標記開發(fā)、雄性不育機制解析、系統(tǒng)發(fā)育分析、脅迫響應、組織和器官發(fā)育、優(yōu)良品種選育等方面起重要作用，為其他基因組較大的非模式植物研究提供思路，推動了蔥屬植物分子和遺傳研究進程。蔥屬植物含有多種揮發(fā)性物質賦予其獨特香味，常被用作調味品，較多的研究集中在揮發(fā)性風味物質的鑒定和分析，缺乏對關鍵香氣成分在貯藏、加工過程中的形成機理和變化規(guī)律研究[84]?；谌S氣相色譜-飛行時間質譜(GC×GC-TOFMS)、氣相色譜-離子遷移質譜(GC-IMS)、高效液相色譜-二極管陣列檢測器(HPLC-PDA)等具有高靈敏度、高分辨率的代謝組學技術將有利于精準快速鑒別蔥屬植物揮發(fā)性成分以及分析其生成和調控機制。除風味物質外，蔥屬植物還含有甾體化合物、黃酮類化合物、多糖類化合物、含氮化合物等多種活性物質，具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤等多種功效，對人體健康起著重要生理作用，組學技術可以分析這些成分在蔥屬植物中的含量、分布、生物合成機制等，在活性物質提取以及培育特定高含量活性物質品種方面具有巨大潛力。目前，有關蔥屬植物組學研究多數(shù)集中于洋蔥、大蒜這些具有重要經(jīng)濟價值的蔥屬作物，對于野生蔥屬植物資源研究較少，組學技術在野生蔥屬植物中的應用將有助于種質資源庫的構建，從而為優(yōu)良品種選育提供基因材料。