玉米栽培薏苡的研究进展

玉米栽培薏苡的研究进展

水稻科。它有七个属，其中钩子和玉蜀小米的亲属关系仅次于慈济和玉蜀小米的亲属关系。在起源方面,玉蜀黍属与摩擦禾属起源于美洲,薏苡属则起源于亚洲,我国的广西一带是薏苡的一个重要起源中心。我们所熟知的薏苡(Coixlacryma-jobiL.)(见彩插3图版)是薏苡属中的栽培种,由于薏苡在治疗病患和保健方面具有多方面的功效,加上优良的风味,被东亚和东南亚许多国家广泛地用作药材和保健品。我国薏苡有近2500多年的栽培历史,是薏苡最大生产国,种植面积在药用作物中最大,分布也最广,全国各地均有栽培。多方面的药用和保健功效给薏苡生产带来巨大经济效益。近年来,随着研究的深入,人们发现薏苡有防治癌症的功效,其经济价值不断攀升。除了作为药物及保健品,薏苡本身也具有很多的优良农艺性状,例如抗虫、抗涝及耐贫瘠等,这对于玉米的品种改良具有重要作用。尤为重要的是薏苡属拥有丰富的倍性材料,对于研究禾本科植物染色体组的变迁、物种进化及物种分化都是不可多得的优异特性。1薏养殖机制中的化合物薏苡作为药用作物,很早以前就在东亚地区被广泛使用。我国自古就将其作为治疗湿疹、坐骨神经痛、风湿性关节炎、慢性阑尾炎、肠炎、小儿厌食症、扁平疣、传染性软疣、尖锐湿疣等症的药物。同样,在印度和日本薏苡也是传统的药材。此外,有研究表明,薏苡还可以用来治疗内分泌失调、降低血脂、减少脂肪积累、抑制脂肪酸合成、抗过敏等。薏苡在药用和保健方面如此广泛的应用使得对其作用机理的研究成为了一个热点。有研究者发现薏苡的外壳中可以提取出4-酮松脂酚(4-ketopinoresinol),该化合物是一种自发的抗氧化反应元件(ARE)激活子,它可以通过激活磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)的信号转导来诱导核因子E2相关因子2/Ⅱ相酶血红素加氧酶1(Nrf2/HO-1)轴的形成而抑制受损细胞的氧化作用。从薏苡的根中可以提取出苯并噁唑嗪酮类化合物,薏苡麸和外壳的乙醇可溶物中富含植物酚类及类黄酮物质,苯并噁唑嗪酮类化合物和类黄酮都具有良好的消炎作用。此外,薏苡作为药物还可以用来治疗病毒感染,因为薏苡子粒的提取物中含有可以显著增加外周毒性淋巴细胞的活性物质。当然,在薏苡众多的药用价值之中,最引人关注的是薏苡具有防治癌症的功效。早在1961年,就有研究者从薏苡中提取了薏苡仁脂,试验结果表明薏苡仁脂有抗癌的活性。现在薏苡仁脂已经在临床上有所应用,它可以配合放射治疗对晚期鼻咽癌的治疗有良好的作用。薏苡仁脂有抗癌的活性主要表现在可以有效地抑制癌细胞的扩散,这在以人鼻咽癌细胞和人喉癌细胞株Hep-2为试验对象的研究中得到了证明。对于薏苡仁脂的抗癌机理也有研究者正在探索,韩苏夏等用薏苡仁脂诱导人宫颈癌HeLa细胞凋亡,发现处理后细胞的坏死和凋亡共存,并且这一过程可能和Fas(factorassociatedsuicide)基因与FasL(factorassociatedsuicideligand)基因表达量的改变有关。另有研究者在研究薏苡仁脂对胃癌细胞BGC-823侵袭迁移能力的影响时,发现薏苡仁脂可以下调CD44(clusterofdifferentiation44)、CD133(clusterofdifferentiation133)的表达量。薏苡仁脂并非是薏苡中唯一有抗癌活性的物质,有研究者从薏苡壳中提取出了至少6种抗突变的物质,其中,反式松柏醛(trans-coniferylaldehyde)被证实是抗癌效果最好的一种物质。另外,利用薏苡子粒的提取物对由香烟中致癌物质4-甲基亚硝胺基-1-3-吡啶基-1-丁酮(NNK)所诱导的肺癌小鼠进行研究,证实了薏苡的子粒提取物可以有效地抑制癌细胞的扩散。此外,薏苡乙醇提取物中含有的多种内酰胺和螺甾内酯可以有效地防止乳腺癌细胞的扩散。并且,薏苡提取物还可以抑制胃癌细胞系AGS的生长,同时治疗胃溃疡。总之,薏苡提取物不但具有抑癌、抗癌的功效,在预防癌症方面也起着重要作用。薏苡的抗癌机理尚未定论,有研究指出薏苡提取物可以通过调节细胞程序性死亡(PCD)相关基因的表达或者影响肿瘤细胞信号转导过程中一些酶的活性起到防治癌症的作用。2广西薏养殖资源薏苡属于禾本科(Poaceae)玉蜀黍族薏苡属(CoixLinn.),它与摩擦禾等同为玉米的近缘种,但与大刍草、摩擦禾等人们所熟知的玉米近缘物种不同,薏苡起源于亚洲而非美洲,主要分布在印度、缅甸和中国等地。对于薏苡属的分类,学界有多种观点,一般认为世界上有10个种。我国薏苡资源种属划分也有一定争议,乔亚科提出我国的薏苡只有1种1变种,即川谷和薏苡;庄体德等将我国的薏苡属植物划分为3种4变种;陆平等报道广西薏苡资源有4种8变种;李英材等则将广西薏苡资源分为4种9变种。《中国植物志》中记载我国有5种2变种:薏苡Coixlacryma-jobiL.,薏苡(原变种)Coixlacryma-jobiL.var.lacryma-jobi,念珠薏苡(变种)Coixlacryma-jobiL.var.maximaMakino,窄果薏苡Coixstenocarpa(Oliv.)Balansa,水生薏苡CoixaquaticaRoxb.,小珠薏苡CoixpuellarumBalansa,薏米CoixchinensisTod.,薏米(变种)CoixchinensisTod.var.chinensis,台湾薏苡(变种)CoixchinensisTod.var.formosana(Ohwi)L.Liu。印度也有丰富的薏苡种质资源,印度国内的学者将印度的薏苡资源划分如下:CoixaquaticRoxb.,C.lacryma-jobi,C.lacryma-jobivartypical,C.lacryma-jobivarstenocarpa,C.lacryma-jobivarmayuen,C.lacryma-jobivarmonilifer,C.puellarumBalansa和C.giganteaKoen.exRoxb.。3玉米与薏养殖种间的亲缘关系薏苡属以水生薏苡(CoixaquaticRoxb.)为原始种,由印度学者发现,并鉴定其染色体组为2n=10,所以薏苡属的染色体基数一直被认定为x=5。我国也有水生薏苡的分布,最近还发现我国存在另一种类型的水生薏苡(CoixaquaticRoxb.2n=30),但该水生薏苡无法完成有性生殖,利用荧光原位杂交技术(FluorescentinsituHybridization,FISH)和基因组原位杂交技术(GenomeinsituHybridization,GISH)可以推断它是由2n=40的水生薏苡(CoixaquaticRoxb.)和2n=20的栽培薏苡(Coixlacryma-jobiL.)所杂交的后代。而Han等在后来的研究中找到了薏苡(Coixlacryma-jobiL.)重复单元为153bp的着丝粒特异串联重复序列,通过研究该串联重复序列在两种薏苡中的分布特点可以推断出2n=30的水生薏苡另10条染色体的着丝粒序列有所不同(见彩插3图版)。除了上述几种染色体组外,在薏苡属中还存在其他倍性材料,例如2n=12和2n=40的水生薏苡(Coixgigantea),2n=32的薏苡(Coixtaxon)等。薏苡和玉米之间的亲缘关系是薏苡研究的一个重要方向。Takahashi等利用基因组原位杂交技术(GISH)对3个大刍草种、1个摩擦禾种、1个高粱种和1个薏苡种进行研究,结果表明玉蜀黍属与摩擦禾属较薏苡属遗传关系更近一些,而玉米与薏苡的亲缘关系较玉米与高粱则更近一些。在运用G带技术观察时,可以推断玉米和薏苡亲缘关系较玉米和大刍草亲缘关系远。另外一些细胞学的研究也有相似的结论,当使用异染色质纽(KNOB)序列进行原位杂交(inSituHybridization)来研究这些物种的亲缘关系时,得出的结果是玉米与大刍草很相似,与摩擦禾略有不同,而薏苡则无杂交信号。此外,玉米的着丝粒卫星DNA(CentC)与着丝粒反转录转座子(CRM)信号的分布也同样证实了这一观点。对于这个问题,作者实验室也展开了相关的工作。我们选用玉米染色体涂染所使用的探针对薏苡进行荧光原位杂交(FISH),发现栽培薏苡(Coixlacryma-jobiL.)均无法杂交。综上,在玉蜀黍族中,玉米与大刍草亲缘关系最近,再者是摩擦禾,接着是薏苡,而高粱族中的高粱则亲缘关系更远。薏苡属拥有丰富的倍性材料,研究者在对其进行研究的过程中发现许多染色体行为。B染色体的研究目前是玉米细胞遗传学中的一个热点,薏苡同样也有关于B染色体的报道,如Sapre等就在种间杂交的后代中发现B染色体。另外,薏苡研究中还发现了染色体排除现象,Rao等在研究三体类型的水生薏苡(CoixaquaticRoxb.)和正常水生薏苡(CoixaquaticRoxb.2n=10)的杂交后代F1时,发现植株大部分都是10条染色体,推测发生了染色体排除。薏苡属的各个种中,经常可以观察到染色体数目的变异,在2n=20的水生薏苡(CoixgiganteaKoen.)中发现了2n=27到2n=29的植株;同样在这个种中还发现了单体-三体的材料;还有诸如2n=23和2n=24的材料。在薏苡属进行种间远源杂交,观察到许多有趣的细胞学现象。如2n=20的薏苡(Coixlacryma-jobiL.)和2n=12的水生薏苡(C.giganteaKoen)之间杂交可以得到2n=16的后代,这个后代的育性正常;而2n=20的薏苡(Coixlacryma-jobiL.)与2n=20的水生薏苡(C.giganteaKoen.)还可以和2n=10的水生薏苡(C.aquaticaRoxb.)间产生2n=32的后代。两种水生薏苡(C.giganteaKoen.和C.aquaticaRoxb.)之间开放授粉,可以发现2n=10到2n=21各种核型的后代。而当薏苡的花粉授到亲缘关系更远的物种,会有不同的结果:有报道称薏苡和玉米、摩擦禾之间杂交不亲和,但是也有报道薏苡和玉米之间可部分进行杂交,得到的后代2n=20,成功率为29.75%。将薏苡的花粉授到小麦上则可以用来产生小麦的双单倍体。薏苡中还发现了孤雌生殖现象,Venkateswarlu等利用秋水仙素加倍薏苡(Coixlacryma-jobiL.)得到了4n=40的植株,在其后代可以观察到2n=21和2n=20的个体,推测是n+1或者n的配子发生了孤雌生殖。4利用ssr标记生产和利用工艺研究基因组学是作物遗传改良的重要理论基础和技术源泉,薏苡是玉米的近缘种,是玉米遗传改良的重要基因资源,开展其基因组学研究对于其自身和玉米的品种改良具有重要作用。遗传标记是基因组学研究的一项重要技术,田松杰等利用AFLP(AmplifiedFragmentLengthPolymorphism)分子标记来研究玉米及其野生近缘种之间的关系,Qin等则利用AFLP和RFLP(RestrictionFragmentLengthPolymorphism)标记构建了薏苡的遗传图谱。还有研究者开发出了薏苡的SSR(SimpleSequenceRepeats)标记,如Ma等利用改进的生物素-链亲和素捕获的方法从构建的富含微卫星序列的文库中筛选出了17个SSR标记,这一套标记也被有效地运用于鉴定薏苡的遗传多样性。郭银萍等利用玉米和水稻的SSR标记筛选出薏苡中可以使用的标记用于研究薏苡遗传多样性。薏苡基因组另一个活跃领域是对其基因功能的研究。Fu等在研究玉米PSY1(Phytoenesynthase)基因时,发现了在薏苡中也有PSY1-like基因。朱云芬等利用RACE技术得到了薏苡的乙醇脱氢酶基因ADH1(Alcoholdehydrogenase1)的3′末端,并且与玉米等近缘种进行了比对,发现有很大相似性。薏苡中主要的胰蛋白酶抑制蛋白的氨基酸序列和大豆、小麦有较高同源性,22kD的α-醇溶蛋白基因也在薏苡、高粱和玉米中具有序列和功能的保守性。同样,在薏苡中也发现了高粱和玉米同源的Opaque2基因,它编码一个bZIP蛋白。其中,玉米中的Opaque2基因则可以转录激活薏苡α-醇溶蛋白的编码,参与玉米和薏苡中β-醇溶蛋白的调控,其编码的蛋白所互作的DNA绑定区域也有同源性。除此之外,研究者们还分析了薏苡中的半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因(Cystatin)、δ-coixin、γ-coixin、α-coixin基因和DapA基因等。另外,还有研究者对薏苡的质体基因组展开研究。Leseberg等对薏苡(Coixlacryma-jobiL.)的叶绿体进行了测序,同时对其中的一部分序列进行了进化分析。Dias等研究了薏苡(Coixlacryma-jobiL.)线粒体中的trnS/pseudo-tRNA/nad3/rps12基因簇的组织、转录和RNA编辑。5利用行性体诱导出愈伤组织的再生苗组织培养在植物遗传育种研究中起着重要作用,它不仅可用来保存珍贵的种质资源,也可以用来诱导双单倍体和体细胞变异。关于薏苡组培的研究虽然不多,但是已经取得了一定的进展。Sun等利用薏苡(Coixlacryma-jobiL.)的幼嫩花絮成功诱导出愈伤组织,并且分化出了正常的植株。周晓丽等使用胚轴组织培养,获得了再生植株。贾敬芬等则利用薏苡(Coixlacryma-jobiL.)的叶片通过组织培养成功诱导出再生苗。王敬驹等选取薏苡(Coixlacryma-jobiL.)单核中后期花粉的花药进行培养,发现来自胚状体的花粉植株均为单倍体,而来自愈伤组织的花粉植株则是单倍体、二倍体及单倍体和二倍体的混倍体。李民伟也成功地用薏苡(Coixlacryma-jobiL.)的花粉诱导出了单倍体植株。6高通量测序技术的应用,背景模型的建立,为薏养殖产业发展提供了重要的生物信息技术支撑薏苡属植物在我国广泛分布,广西壮族自治区更是有着丰富的野生资源,可以推断我国是薏苡属的起源中心之一。薏苡生长对土壤要求不高,除过黏重土壤外,一般土壤均可种植。同时,它还有抗虫、抗病等优良农艺性状,所以,对于薏苡属的研究也会对玉米种质的改良有所裨益。随着玉米研究的深入,玉米研究的技术及方法都可以较方便地运用于薏苡属的研究,结合薏苡属丰富的倍性材料和特性,不仅可以促进薏苡遗传和品种改良的快速发展,而且对于研究禾本科植物基因组的起源、分化以及新种的产生也将带来巨大帮助。薏苡属的研究现在虽然刚刚起步,但近缘种玉米、高粱等基因组测序工作的相继完成,为薏苡研究创造了不可多得的良机。薏苡和玉米亲缘关系近,但是许多性状却相距甚远,利用高通量测序技术成本低、可获得数