葡萄糖和植物激素協(xié)同調(diào)控十字花科植物中芥子油苷生物合成的機(jī)制研究.pdf

1、芥子油苷(Glucosinolate，GS)及其降解產(chǎn)物不僅是十字花科蔬菜獨(dú)特風(fēng)味的來源，也在降低癌癥發(fā)生率及植物的防衛(wèi)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。模式植物擬南芥由于富含芥子油苷而成為研究芥子油苷代謝網(wǎng)絡(luò)的最佳材料;蕓薹屬蔬菜芽菜也因其生長周期短、培養(yǎng)環(huán)境容易控制和營養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)，逐漸成為研究蔬菜中芥子油苷代謝調(diào)控的良好體系。近年來，擬南芥中芥子油苷生物合成的途徑已經(jīng)闡明，其代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，而蕓薹屬蔬菜中芥子油苷的合成路徑也正在

2、被逐步解析。葡萄糖不僅為植物的生長發(fā)育提供基礎(chǔ)的能量，同時(shí)也作為信號(hào)分子調(diào)控生命進(jìn)程。本文以擬南芥為材料，研究了葡萄糖信號(hào)調(diào)控脂肪類和吲哚類芥子油苷合成的機(jī)制，分析了此過程中葡萄糖對(duì)初生硫代謝的影響，以及葡萄糖與脫落酸在調(diào)控芥子油苷合成中的相互作用。此外，在擬南芥中已開展的關(guān)于葡萄糖和植物激素互作調(diào)控芥子油苷合成的系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，本文以中國特產(chǎn)的蕓薹屬蔬菜芥藍(lán)芽菜為材料，研究了葡萄糖和植物激素復(fù)合處理在調(diào)控芥子油苷積累中的功能，以及對(duì)類

3、胡蘿卜素、花青素、總多酚、維生素C和抗氧化活力等品質(zhì)的影響，探索能顯著提高芥子油苷含量等品質(zhì)的葡萄糖和激素處理組合，以期為蕓薹屬蔬菜芽菜的品質(zhì)改良提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。研究取得的主要結(jié)果如下:
　　1、葡萄糖促進(jìn)脂肪類和吲哚類芥子油苷的生物合成。以葡萄糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和芥子油苷生物合成相關(guān)突變體為材料，研究了葡萄糖對(duì)芥子油苷合成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葡萄糖依賴受體HXK1通過誘導(dǎo)MYB轉(zhuǎn)錄因子(主要是MYB28和MYB34)調(diào)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)基因

4、的表達(dá)，從而影響芥子油苷的合成。并且，葡萄糖處理可以誘導(dǎo)硫代謝相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇類初生代謝產(chǎn)物的合成，說明葡萄糖通過增強(qiáng)硫同化從而促進(jìn)芥子油苷的積累，而不是簡單的影響硫在初生代謝和次生代謝途徑中的分配。此外，葡萄糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件ABI5參與芥子油苷的合成過程，但是僅僅影響葡萄糖對(duì)脂肪類芥子油苷合成的調(diào)控，與葡萄糖對(duì)吲哚類芥子油苷合成的調(diào)控作用無關(guān)。然而，ABI5與吲哚類MYBs在酵母中存在相互作用，說明，ABI5

5、可能通過與吲哚類MYBs互作調(diào)控吲哚類芥子油苷的合成。
　　2、葡萄糖與ABA協(xié)同調(diào)控芥子油苷的生物合成。通過分析脫落酸(Abscisic acid，ABA)合成突變體aba2-1在葡萄糖處理前后芥子油昔含量的變化，發(fā)現(xiàn)ABA合成缺失并不會(huì)削弱葡萄糖對(duì)芥子油苷合成的誘導(dǎo)作用，說明葡萄糖對(duì)芥子油苷的調(diào)控作用是不嚴(yán)格依賴于內(nèi)源ABA的。ABA外源添加實(shí)驗(yàn)證實(shí)ABA可以誘導(dǎo)MYBs的基因表達(dá)，增加芥子油苷的積累;并且，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件ABI

6、5也參與了ABA對(duì)芥子油苷合成的調(diào)控。值得注意的是，ABA對(duì)4-甲硫丁基芥子油苷(4-methylthiobutyl GS，4MTB)的合成有顯著的抑制作用，說明ABA可能是促進(jìn)了4MTB向4-甲基亞磺酰丁基芥子油苷(4-methylsulphinylbutyl GS，4MSOB，抗癌活性最強(qiáng)的天然化合物“蘿卜硫素”的前體）的轉(zhuǎn)化，預(yù)示了ABA對(duì)于芥子油苷的調(diào)控具有非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。葡萄糖與ABA共同處理對(duì)芥子油苷積累的促進(jìn)作用遠(yuǎn)

7、遠(yuǎn)大于二者簡單的疊加效應(yīng)，說明葡萄糖和ABA可以協(xié)同調(diào)控芥子油苷的合成。此外，HXK1的缺失并不影響ABA對(duì)芥子油苷合成的促進(jìn)作用，證明ABA對(duì)芥子油苷的調(diào)控是不依賴于HXK1的，其作用于HXK1的下游或者與之平行，這也預(yù)示了葡萄糖與ABA是通過不同的路徑調(diào)控芥子油苷的合成的。
　　3、葡萄糖和JA協(xié)同促進(jìn)芥藍(lán)芽菜中特定芥子油苷的合成。3％的葡萄糖和5μM茉莉酸(Jasmonic acid，JA)單獨(dú)或者共同處理芥藍(lán)芽菜后分析植株

8、的干重和鮮重，發(fā)現(xiàn)各種處理對(duì)芥藍(lán)芽菜的生物量均不會(huì)造成明顯的影響。JA與葡萄糖共同處理時(shí)顯著提高了芥藍(lán)芽菜中3-甲基亞磺酰丙基芥子油苷(Glucoiberin，GIB)和蘿卜硫苷（Glucoraphanin，GRA）的含量，與對(duì)照相比分別增加了63％和52％。這兩種芥子油苷的降解產(chǎn)物具有較強(qiáng)的抗癌活性，并且，GRA的降解產(chǎn)物蘿卜硫素是抗癌活性最強(qiáng)的天然化合物。此外，葡萄糖和JA共同處理還能顯著提高具有廣譜抗真菌活性的吲哚類芥子油苷4-甲

9、氧基-吲哚-3-甲基芥子油苷(4-methoxy Glucobrassicin，4-OMGBS)的含量。與此同時(shí)，花青素的含量得到顯著的提升。因此，JA和葡萄糖復(fù)合處理不失為一種改良蕓薹屬蔬菜芽菜品質(zhì)和抗性的有效化學(xué)調(diào)控手段。
　　4、葡萄糖與GA協(xié)同促進(jìn)芥藍(lán)芽菜中總芥子油苷的積累。3％的葡萄糖和5μM赤霉素(Gibberellin，GA)單獨(dú)或者共同處理芥藍(lán)芽菜時(shí)，不會(huì)明顯影響芥藍(lán)芽菜的生長。5μM GA單獨(dú)處理對(duì)芥藍(lán)芽菜中幾乎

10、所有脂肪類和吲哚類芥子油苷的合成都沒有顯著的影響，但是，與葡萄糖共同處理時(shí)可以促進(jìn)多種脂肪類芥子油苷（如2-羥基-3-丁烯基芥子油苷、2-丙烯基芥子油苷、3-丁烯基芥子油苷、4-甲硫丁基芥子油苷和2-羥基-4-戊烯基芥子油苷）以及吲哚類芥子油苷1-甲氧-吲哚-3-甲基芥子油苷的積累，與對(duì)照相比分別提高了43％、54％、56％、23％、43％和44％，并且總芥子油苷的含量與對(duì)照相比也顯著得到提升。此外，二者共同處理可以顯著提高芥藍(lán)芽菜中總