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油菜是一种具有重要经济价值的作物,其主要用途是榨取菜籽油,而榨油剩余的菜籽饼可以作为优质动物饲料。油菜等十字花科植物的叶子与种子富含硫代葡萄糖甙(glucosinolates,GSLs;简称硫甙)。硫甙是一种具有抵御害虫侵害与病菌感染的特殊次生代谢产物,它对于人体还具有抗癌的功效,有着重要的药理学意义。然而,种子中存在的硫甙却不利于菜籽饼用作动物饲料,因为高含硫甙的菜籽饼被动物食用后会引起甲状腺疾病。因此,了解一些外部生长调节剂对硫甙含量以及其它一些代谢物质的影响,有助于通过育种和栽培手段调控硫甙的含量,改善十字花科油菜的营养价值。这项研究旨在探讨5-氨基乙酰丙酸(ALA)对油菜幼苗中硫甙合成的诱导作用,以及外源ALA对各项苗期生长发育指标的影响;通过对大约297份源自世界各国的核心油菜种质资源遗传群体单碱基多态性(SNP)与硫甙性状的全基因组关联分析(Genome-wide-association study,GWAS),探索调控油菜种子各类硫甙合成的分子机制。得到了如下结果:
(1)适当浓度(0.5-1mg/L)的外源ALA有利于油菜幼苗的生长,并且能够提高可溶性糖、生育酚、抗坏血酸和硫代葡萄糖酸盐等多种化合物的含量。喷施适量ALA后,BnUGT79B1,BnMYB12,MYB28等一些调控酚类化合物合成的基因、BnRBCL和BnRBCS等固碳途径基因表达量的显著增加,说明外源ABA通过促进一些化合物合成途径上关键基因的表达,促进了油菜一些关键的生理生化步骤。
(2)高浓度的(5-10mg/L)ALA对油菜幼苗造成氧化胁迫,引起除生育酚以外的其他生物活性物质的含量降低,从而导致油菜幼苗生长速度减慢。生育酚因能起到缓解胁迫作用的,它的含量不降反升。
(3)低浓度的ALA增加了半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇的含量,能上调调控硫元素吸收与代谢的BnSULTR1.1,BnSULT2.2和BnAPK1等基因的表达;由于增加了硫元素的吸收并改进了硫的代谢效率,低浓度的ALA能显著地提升硫甙总含量,特别是其中脂肪族硫甙的含量。低浓度的ALA还有利于硫甙合成途径的不同阶段各类化合物(包括硫甙)主干结构的形成;通过提升BnUGT74B1和BnUT74C1基因的表达,从而促进硫甙脱硫糖基化过程。
(4)通过全基因组关联分析鉴定到一些基因,比如涉及脂肪族硫甙合成的转录因子BnaCNNg43220D(MYB28),又如,调控硫甙运输的BnaC02g42260D(NRT1/PTR FAMILY2.11),它们与油菜种子硫甙总含量的变化显著关联;还发现其它一些与各类硫甙组分的含量紧密关联基因,其中包括具备调控作用的典型蛋白复合体特征、且与抵御病原体侵害密切相关的BnaC02g41580D(CPK12)基因。
这些发现丰富了对ALA作为信号分子的认识,即,适度ALA对于提高油菜幼苗逆境胁迫适应性的有利影响、对于硫甙等化合物合成的促进作用;加深了人们对于油菜种子内不同类型硫代葡萄糖甙形成的复杂基因调控网络的认识与理解。
(1)适当浓度(0.5-1mg/L)的外源ALA有利于油菜幼苗的生长,并且能够提高可溶性糖、生育酚、抗坏血酸和硫代葡萄糖酸盐等多种化合物的含量。喷施适量ALA后,BnUGT79B1,BnMYB12,MYB28等一些调控酚类化合物合成的基因、BnRBCL和BnRBCS等固碳途径基因表达量的显著增加,说明外源ABA通过促进一些化合物合成途径上关键基因的表达,促进了油菜一些关键的生理生化步骤。
(2)高浓度的(5-10mg/L)ALA对油菜幼苗造成氧化胁迫,引起除生育酚以外的其他生物活性物质的含量降低,从而导致油菜幼苗生长速度减慢。生育酚因能起到缓解胁迫作用的,它的含量不降反升。
(3)低浓度的ALA增加了半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇的含量,能上调调控硫元素吸收与代谢的BnSULTR1.1,BnSULT2.2和BnAPK1等基因的表达;由于增加了硫元素的吸收并改进了硫的代谢效率,低浓度的ALA能显著地提升硫甙总含量,特别是其中脂肪族硫甙的含量。低浓度的ALA还有利于硫甙合成途径的不同阶段各类化合物(包括硫甙)主干结构的形成;通过提升BnUGT74B1和BnUT74C1基因的表达,从而促进硫甙脱硫糖基化过程。
(4)通过全基因组关联分析鉴定到一些基因,比如涉及脂肪族硫甙合成的转录因子BnaCNNg43220D(MYB28),又如,调控硫甙运输的BnaC02g42260D(NRT1/PTR FAMILY2.11),它们与油菜种子硫甙总含量的变化显著关联;还发现其它一些与各类硫甙组分的含量紧密关联基因,其中包括具备调控作用的典型蛋白复合体特征、且与抵御病原体侵害密切相关的BnaC02g41580D(CPK12)基因。
这些发现丰富了对ALA作为信号分子的认识,即,适度ALA对于提高油菜幼苗逆境胁迫适应性的有利影响、对于硫甙等化合物合成的促进作用;加深了人们对于油菜种子内不同类型硫代葡萄糖甙形成的复杂基因调控网络的认识与理解。