葡萄糖和植物激素协同调控十字花科植物中芥子油苷生物合成的机制研究

摘要

芥子油苷(Glucosinolate，GS)及其降解产物不仅是十字花科蔬菜独特风味的来源，也在降低癌症发生率及植物的防卫反应中发挥重要作用。模式植物拟南芥由于富含芥子油苷而成为研究芥子油苷代谢网络的最佳材料;芸薹属蔬菜芽菜也因其生长周期短、培养环境容易控制和营养价值高等特点，逐渐成为研究蔬菜中芥子油苷代谢调控的良好体系。近年来，拟南芥中芥子油苷生物合成的途径已经阐明，其代谢调控网络是当下的研究热点，而芸薹属蔬菜中芥子油苷的合成路径也正在被逐步解析。葡萄糖不仅为植物的生长发育提供基础的能量，同时也作为信号分子调控生命进程。本文以拟南芥为材料，研究了葡萄糖信号调控脂肪类和吲哚类芥子油苷合成的机制，分析了此过程中葡萄糖对初生硫代谢的影响，以及葡萄糖与脱落酸在调控芥子油苷合成中的相互作用。此外，在拟南芥中已开展的关于葡萄糖和植物激素互作调控芥子油苷合成的系统研究基础上，本文以中国特产的芸薹属蔬菜芥蓝芽菜为材料，研究了葡萄糖和植物激素复合处理在调控芥子油苷积累中的功能，以及对类胡萝卜素、花青素、总多酚、维生素C和抗氧化活力等品质的影响，探索能显著提高芥子油苷含量等品质的葡萄糖和激素处理组合，以期为芸薹属蔬菜芽菜的品质改良提供理论依据和技术指导。研究取得的主要结果如下:
　　1、葡萄糖促进脂肪类和吲哚类芥子油苷的生物合成。以葡萄糖信号转导和芥子油苷生物合成相关突变体为材料，研究了葡萄糖对芥子油苷合成的影响，结果发现葡萄糖依赖受体HXK1通过诱导MYB转录因子(主要是MYB28和MYB34)调节相关结构基因的表达，从而影响芥子油苷的合成。并且，葡萄糖处理可以诱导硫代谢相关基因的表达，促进半胱氨酸和谷胱甘肽等硫醇类初生代谢产物的合成，说明葡萄糖通过增强硫同化从而促进芥子油苷的积累，而不是简单的影响硫在初生代谢和次生代谢途径中的分配。此外，葡萄糖信号转导元件ABI5参与芥子油苷的合成过程，但是仅仅影响葡萄糖对脂肪类芥子油苷合成的调控，与葡萄糖对吲哚类芥子油苷合成的调控作用无关。然而，ABI5与吲哚类MYBs在酵母中存在相互作用，说明，ABI5可能通过与吲哚类MYBs互作调控吲哚类芥子油苷的合成。
　　2、葡萄糖与ABA协同调控芥子油苷的生物合成。通过分析脱落酸(Abscisic acid，ABA)合成突变体aba2-1在葡萄糖处理前后芥子油昔含量的变化，发现ABA合成缺失并不会削弱葡萄糖对芥子油苷合成的诱导作用，说明葡萄糖对芥子油苷的调控作用是不严格依赖于内源ABA的。ABA外源添加实验证实ABA可以诱导MYBs的基因表达，增加芥子油苷的积累;并且，信号转导元件ABI5也参与了ABA对芥子油苷合成的调控。值得注意的是，ABA对4-甲硫丁基芥子油苷(4-methylthiobutyl GS，4MTB)的合成有显著的抑制作用，说明ABA可能是促进了4MTB向4-甲基亚磺酰丁基芥子油苷(4-methylsulphinylbutyl GS，4MSOB，抗癌活性最强的天然化合物“萝卜硫素”的前体）的转化，预示了ABA对于芥子油苷的调控具有非常重要的潜在应用价值。葡萄糖与ABA共同处理对芥子油苷积累的促进作用远远大于二者简单的叠加效应，说明葡萄糖和ABA可以协同调控芥子油苷的合成。此外，HXK1的缺失并不影响ABA对芥子油苷合成的促进作用，证明ABA对芥子油苷的调控是不依赖于HXK1的，其作用于HXK1的下游或者与之平行，这也预示了葡萄糖与ABA是通过不同的路径调控芥子油苷的合成的。
　　3、葡萄糖和JA协同促进芥蓝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)单独或者共同处理芥蓝芽菜后分析植株的干重和鲜重，发现各种处理对芥蓝芽菜的生物量均不会造成明显的影响。JA与葡萄糖共同处理时显著提高了芥蓝芽菜中3-甲基亚磺酰丙基芥子油苷(Glucoiberin，GIB)和萝卜硫苷（Glucoraphanin，GRA）的含量，与对照相比分别增加了63％和52％。这两种芥子油苷的降解产物具有较强的抗癌活性，并且，GRA的降解产物萝卜硫素是抗癌活性最强的天然化合物。此外，葡萄糖和JA共同处理还能显著提高具有广谱抗真菌活性的吲哚类芥子油苷4-甲氧基-吲哚-3-甲基芥子油苷(4-methoxy Glucobrassicin，4-OMGBS)的含量。与此同时，花青素的含量得到显著的提升。因此，JA和葡萄糖复合处理不失为一种改良芸薹属蔬菜芽菜品质和抗性的有效化学调控手段。
　　4、葡萄糖与GA协同促进芥蓝芽菜中总芥子油苷的积累。3％的葡萄糖和5μM赤霉素(Gibberellin，GA)单独或者共同处理芥蓝芽菜时，不会明显影响芥蓝芽菜的生长。5μM GA单独处理对芥蓝芽菜中几乎所有脂肪类和吲哚类芥子油苷的合成都没有显著的影响，但是，与葡萄糖共同处理时可以促进多种脂肪类芥子油苷（如2-羟基-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-羟基-4-戊烯基芥子油苷）以及吲哚类芥子油苷1-甲氧-吲哚-3-甲基芥子油苷的积累，与对照相比分别提高了43％、54％、56％、23％、43％和44％，并且总芥子油苷的含量与对照相比也显著得到提升。此外，二者共同处理可以显著提高芥蓝芽菜中总多酚的含量以及总抗氧化能力。因而，GA和葡萄糖复合处理可以作为一种调控芸薹属蔬菜品质的安全有效的方式。

目录

声明

摘要

英文缩略词

1 绪论

1．1 葡萄糖信号转导途径研究进展

1．1．1 葡萄糖调控的重要调节因子

1．1．2 葡萄糖信号与植物激素的关系

1．2 芥子油苷的代谢与功能

1．2．1 芥子油苷的生物合成

1．2．2 芥子油苷的降解

1．2．3 芥子油苷的生物学功能

1．3 芥子油苷生物合成的调控

1．3．1 芥子油苷生物合成的调节基因

1．3．2 植物激素与芥子油苷合成的关系

1．3．3 初生硫代谢与芥子油苷合成的关系

1．4 芸薹属蔬菜芽菜中芥子油苷合成调控的研究进展

1．5 本研究的立题依据和研究目标

2 葡萄糖信号正向调控拟南芥中脂肪类芥子油苷的生物合成

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料与培养方法

2．2．2 材料处理方法

2．2．3 实验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 葡萄糖对拟南芥中脂肪类芥子油苷合成的影响

2．3．2 葡萄糖对脂肪类芥子油苷生物合成相关基因表达的影响

2．3．3 葡萄糖对脂肪类MYB突变体中脂肪类芥子油苷合成的影响

2．3．4 HXK1在葡萄糖调控的脂肪类芥子油苷合成过程中的作用

2．3．5 ABI5在葡萄糖调控的脂肪类芥子油苷合成过程中的作用

2．4 讨论与小结

3 葡萄糖信号正向调控拟南芥中吲哚类芥子油苷的生物合成

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料与培养方法

3．2．2 材料处理方法

3．2．3 实验方法

3．3 结果与分析

3．3．1 葡萄糖对拟南芥中吲哚类芥子油苷合成的影响

3．3．2 葡萄糖对吲噪类芥子油苷生物合成相关基因表达的影响

3．3．3 葡萄糖对吲噪类MYB突变体中吲噪类芥子油苷合成的影响

3．3．4 HXK1在葡萄糖调控的吲噪类芥子油苷合成过程中的作用

3．3．5 ABI5在葡萄糖调控的吲噪类芥子油苷合成过程中的作用

3．4 讨论与小结

4 葡萄糖对初生硫代谢的影响及其与芥子油苷合成的关系

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料与培养方法

4．2．2 材料处理方法

4．2．3 实验方法

4．3 结果与分析

4．3．1 葡萄糖对硫代谢相关基因表达的影响

4．3．2 不同浓度硫酸盐培养条件下葡萄糖对硫代谢相关基因表达的影响

4．3．3 不同浓度硫酸盐培养条件下葡萄糖对MYBs基因表达的影响

4．3．4 不同浓度硫酸盐培养条件下葡萄糖对芥子油苷合成的影响

4．3．5 不同浓度硫酸盐培养条件下葡萄糖对初生硫代谢产物积累的影响

4．4 讨论与小结

5 葡萄糖与ABA协同调控芥子油苷的生物合成

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料与培养方法

5．2．2 材料处理方法

5．2．3 实验方法

5．3 结果与分析

5．3．1 葡萄糖对ABA合成缺失突变体中芥子油苷合成的影响

5．3．2 ABA对芥子油苷积累的影响

5．3．4 HXK1在ABA对芥子油苷合成调控中的作用

5．3．5 ABI5在ABA对芥子油苷合成调控中的作用

5．3．6 葡萄糖和ABA共同处理对芥子油苷合成的影响

5．4 讨论与小结

6 葡萄糖和JA处理对芥蓝芽菜中芥子油苷等生物活性物质的影响

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 实验材料与培养方法

6．2．2 材料处理方法

6．2．3 实验方法

6．3 结果与分析

6．3．1 葡萄糖和JA共同处理对芥蓝芽菜生物量的影响

6．3．2 芥蓝芽菜中芥子油苷的种类和含量

6．3．3 葡萄糖和JA共同处理对芥蓝芽菜中脂肪类芥子油苷积累的影响

6．3．4 葡萄糖和JA共同处理对芥蓝芽菜中吲哚类芥子油苷积累的影响

6．3．5 葡萄糖和JA共同处理对芥蓝芽菜中总芥子油苷含量的影响

6．3．6 葡萄糖和JA共同处理对芥蓝芽菜中类胡萝卜素、花青素、多酚和维生素C的含量，以及抗氧化活力的影响

6．4 讨论与小结

7 葡萄糖与CA处理队芥蓝芽菜中芥子油苷等生物活性物质的影响

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．1 实验材料与培养方法

7．2．2 材料处理方法

7．2．3 实验方法

7．3 结果与分析

7．3．1 葡萄糖和GA共同处理对芥蓝芽菜生物量的影响

7．3．2 葡萄糖和GA共同处理对芥蓝芽菜中脂肪类芥子油苷积累的影响

7．3．3 葡萄糖和GA共同处理对芥蓝芽菜中吲哚类芥子油苷积累的影响

7．3．4 葡萄糖和GA共同处理对芥蓝芽菜中总芥子油苷含量的影响

7．3．5 葡萄糖和GA共同处理对芥蓝芽菜中类胡萝卜素、花青素、多酚和维生素C的含量，以及抗氧化活力的影响

7．4 讨论与小结

8 结论、创新点与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

个人简介

致谢