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

1、芥子油苷(Glucosinolate，GS)及其降解產物不僅是十字花科蔬菜獨特風味的來源，也在降低癌癥發(fā)生率及植物的防衛(wèi)反應中發(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絡的最佳材料;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)價值高等特點，逐漸成為研究蔬菜中芥子油苷代謝調控的良好體系。近年來，擬南芥中芥子油苷生物合成的途徑已經闡明，其代謝調控網絡是當下的研究熱點，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)育提供基礎的能量，同時也作為信號分子調控生命進程。本文以擬南芥為材料，研究了葡萄糖信號調控脂肪類和吲哚類芥子油苷合成的機制，分析了此過程中葡萄糖對初生硫代謝的影響，以及葡萄糖與脫落酸在調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于葡萄糖和植物激素互作調控芥子油苷合成的系統(tǒng)研究基礎上，本文以中國特產的蕓薹屬蔬菜芥藍芽菜為材料，研究了葡萄糖和植物激素復合處理在調控芥子油苷積累中的功能，以及對類

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

4、的表達，從而影響芥子油苷的合成。并且，葡萄糖處理可以誘導硫代謝相關基因的表達，促進半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇類初生代謝產物的合成，說明葡萄糖通過增強硫同化從而促進芥子油苷的積累，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，葡萄糖信號轉導元件ABI5參與芥子油苷的合成過程，但是僅僅影響葡萄糖對脂肪類芥子油苷合成的調控，與葡萄糖對吲哚類芥子油苷合成的調控作用無關。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互作調控吲哚類芥子油苷的合成。
　　2、葡萄糖與ABA協(xié)同調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合成缺失并不會削弱葡萄糖對芥子油苷合成的誘導作用，說明葡萄糖對芥子油苷的調控作用是不嚴格依賴于內源ABA的。ABA外源添加實驗證實ABA可以誘導MYBs的基因表達，增加芥子油苷的積累;并且，信號轉導元件ABI

6、5也參與了ABA對芥子油苷合成的調控。值得注意的是，ABA對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，抗癌活性最強的天然化合物“蘿卜硫素”的前體）的轉化，預示了ABA對于芥子油苷的調控具有非常重要的潛在應用價值。葡萄糖與ABA共同處理對芥子油苷積累的促進作用遠

7、遠大于二者簡單的疊加效應，說明葡萄糖和ABA可以協(xié)同調控芥子油苷的合成。此外，HXK1的缺失并不影響ABA對芥子油苷合成的促進作用，證明ABA對芥子油苷的調控是不依賴于HXK1的，其作用于HXK1的下游或者與之平行，這也預示了葡萄糖與ABA是通過不同的路徑調控芥子油苷的合成的。
　　3、葡萄糖和JA協(xié)同促進芥藍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)單獨或者共同處理芥藍芽菜后分析植株

8、的干重和鮮重，發(fā)現(xiàn)各種處理對芥藍芽菜的生物量均不會造成明顯的影響。JA與葡萄糖共同處理時顯著提高了芥藍芽菜中3-甲基亞磺酰丙基芥子油苷(Glucoiberin，GIB)和蘿卜硫苷（Glucoraphanin，GRA）的含量，與對照相比分別增加了63％和52％。這兩種芥子油苷的降解產物具有較強的抗癌活性，并且，GRA的降解產物蘿卜硫素是抗癌活性最強的天然化合物。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，花青素的含量得到顯著的提升。因此，JA和葡萄糖復合處理不失為一種改良蕓薹屬蔬菜芽菜品質和抗性的有效化學調控手段。
　　4、葡萄糖與GA協(xié)同促進芥藍芽菜中總芥子油苷的積累。3％的葡萄糖和5μM赤霉素(Gibberellin，GA)單獨或者共同處理芥藍芽菜時，不會明顯影響芥藍芽菜的生長。5μM GA單獨處理對芥藍芽菜中幾乎

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可以促進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芽菜中總