鄧衍明 齊香玉 蘇家樂(lè)

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院休閑農(nóng)業(yè)研究所,江蘇 南京 210014)

茉莉[Jasminum sambac (L.) Aiton]又稱茉莉花、茶葉花等,為木樨科(Oleaceae)素馨屬(Jasminum L.)常綠直立攀援灌木。 茉莉花的觀賞、茶用和藥用價(jià)值均較高,是重要的花茶和香精原料,深受消費(fèi)者喜愛(ài)[1]。 茉莉原產(chǎn)于印度、巴基斯坦等地,在我國(guó)已有約2 000年的栽培歷史,也是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)植物開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的重要成員之一[2]。 茉莉花廣泛分布于我國(guó)廣西、福建、四川、云南、海南、臺(tái)灣等地,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)茉莉種植面積約占世界總面積的66.7%,鮮花產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上[3]。 茉莉根據(jù)其花瓣的不同可分為單瓣、雙瓣和重瓣(多瓣)3 種類型[4-5],其中單瓣茉莉(臺(tái)灣種茉莉或金華茉莉)和重瓣茉莉(虎頭茉莉)總體上生態(tài)適應(yīng)性較弱,抗逆性和產(chǎn)花量較差[6-8],因此目前生產(chǎn)上使用的主要為雙瓣茉莉(廣東種茉莉)。 但雙瓣茉莉經(jīng)過(guò)多年的無(wú)性繁殖和長(zhǎng)期使用,會(huì)出現(xiàn)品種性退化,導(dǎo)致其抗性和產(chǎn)花量均降低[3]。 因此,開(kāi)展茉莉花種質(zhì)創(chuàng)新和品種改良研究具有重要意義。

目有有關(guān)茉莉的研究主要集中于栽培管理、病蟲(chóng)害防治、化學(xué)成分鑒定、花茶加工、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r等方面[9-12]。 研究表明通過(guò)有性繁殖途徑(包括自交和雜交)獲得優(yōu)良性狀是園藝作物育種的主要手段之一,而植物的生物學(xué)特性,尤其是生殖發(fā)育特性,對(duì)有性繁殖育種起著關(guān)鍵作用,如只有明確了雜交親本間的生殖障礙是受精前障礙(pre-fertilization barrier)還是受精后障礙(post-fertilization barrier),才能采取針對(duì)性措施克服雜交不結(jié)實(shí),獲得預(yù)期的雜交后代[13-15]。 隨著分子生物學(xué)技術(shù)如分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因、基因編輯等的迅猛發(fā)展,其在園藝作物育種領(lǐng)域也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 近年來(lái),國(guó)內(nèi)外茉莉生殖發(fā)育和分子生物學(xué)特性方面的研究取得了一定進(jìn)展,故本文對(duì)其進(jìn)行梳理和分析,以期為茉莉的種質(zhì)創(chuàng)新與品種改良、相關(guān)產(chǎn)業(yè)獲得更好的發(fā)展和明確未來(lái)的主要研究方向奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 生殖發(fā)育研究現(xiàn)狀分析

茉莉花的結(jié)實(shí)率極低,通常被認(rèn)為不結(jié)實(shí)[16]。 賴明志[17]通過(guò)田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)自然結(jié)實(shí)茉莉花的比例僅為0.17%。 茉莉“花而不實(shí)”的現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注,大量研究者對(duì)其生殖發(fā)育特性開(kāi)展了系統(tǒng)研究,并對(duì)生殖障礙產(chǎn)生的具體原因進(jìn)行了探討。

1.1 雄性生殖發(fā)育特性

張澤岑[18]對(duì)茉莉的花粉粒和減數(shù)分裂進(jìn)行觀察,并通過(guò)人工授粉和噴施生長(zhǎng)素(2,4-D 和赤霉素)觀察其結(jié)實(shí)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)茉莉的花粉發(fā)芽率最高僅為21.8%,且畸形比例高,認(rèn)為花粉活力差導(dǎo)致受精結(jié)實(shí)低;噴施生長(zhǎng)素并授粉后,能夠有效提高茉莉結(jié)實(shí)率并延緩果實(shí)脫落,說(shuō)明生長(zhǎng)素和某些化學(xué)元素有助于茉莉花授粉。 遺傳與環(huán)境差異、生理機(jī)能退化、栽培條件不適等均會(huì)導(dǎo)致茉莉花不結(jié)實(shí),但主要原因是小孢子母細(xì)胞(pollen mother cell,PMC)減數(shù)分裂不正常。 異常的減數(shù)分裂一方面表現(xiàn)為四分體時(shí)期形成了具有高度不孕性的三分體,另一方面表現(xiàn)在茉莉的花粉粒粘連嚴(yán)重且大小不一,使得花粉的集群效應(yīng)減弱,從而導(dǎo)致其柱頭上的萌發(fā)率低且花粉管長(zhǎng)度短。 賴明志等[19]采用石蠟切片法對(duì)茉莉花器官結(jié)構(gòu)和發(fā)育進(jìn)行了較全面的觀察,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)茉莉花藥在花芽分化前期已出現(xiàn)膨腫和畸形,且在花芽分化中期出現(xiàn)囊壁崩潰的異?，F(xiàn)象;絨氈層在花芽分化前期已過(guò)早產(chǎn)生液泡化、解體等功能異常行為;花粉母細(xì)胞在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中也常出現(xiàn)液泡化、解離等敗育現(xiàn)象,并出現(xiàn)多孢粘連成團(tuán)的空癟花粉塊,導(dǎo)致花粉失活。 曾貞等[20]觀察了茉莉雙瓣品種小孢子發(fā)生與雄配子體發(fā)育的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)其藥壁發(fā)育類型為基本型,由表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層組成,中層細(xì)胞在小孢子減數(shù)分裂時(shí)期逐漸解體;小孢子敗育起始于減數(shù)分裂中期Ⅰ,雄配子體發(fā)育基本不正常,發(fā)育早期即有花粉管萌發(fā)的異?，F(xiàn)象發(fā)生,且空癟、異形的花粉較多。 但曾貞等[20]對(duì)絨氈層的觀察結(jié)果與賴明志等[19]相反,認(rèn)為茉莉的絨氈層類型屬于異型細(xì)胞絨氈層,在小孢子發(fā)育過(guò)程中解體較遲緩從而不利于花粉發(fā)育。 以上研究均觀察到花粉發(fā)育過(guò)程中的大量異?，F(xiàn)象,但在小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育過(guò)程中起關(guān)鍵作用的絨氈層細(xì)胞的行為上的結(jié)論不一致,且未在細(xì)胞或亞細(xì)胞水平上對(duì)導(dǎo)致育性下降的花粉粘連行為進(jìn)行更深入的研究。

近年來(lái),鄧衍明等[21]對(duì)雙瓣茉莉的花粉離體培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)雖然花粉活力因取粉時(shí)間不同而存在差異,但總體上萌發(fā)率均較低;培養(yǎng)基種類及不同添加物濃度、pH 值、培養(yǎng)溫度、光照、時(shí)間等因素均影響花粉的離體萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)。 Deng 等[22]將雙瓣茉莉花芽劃分為7 個(gè)發(fā)育階段,對(duì)各階段花器官的形態(tài)特征進(jìn)行了量化描述,并對(duì)小孢子發(fā)生和雄配子體發(fā)育過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)觀察,發(fā)現(xiàn)小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂是同時(shí)型,但四分體同時(shí)具有四面體和十字交叉2 種類型且不同步現(xiàn)象嚴(yán)重,即使在同一個(gè)藥室內(nèi)亦有發(fā)生;很多四分體沒(méi)有及時(shí)解體成游離小孢子而形成了四合花粉(pollen-tetrad)以至于相互粘連成花粉塊(pollen massula),并且約25%的小孢子因不能正常形成外壁而導(dǎo)致發(fā)育遲滯;在粘連的四合花粉塊中通常僅有1 顆花粉粒能正常萌發(fā)形成花粉管,從而極大地降低了花粉活力。 Deng 等[23]進(jìn)一步采用透射電子顯微鏡對(duì)小孢子四分體和絨氈層細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)粘連的四合花粉間有或長(zhǎng)或短的胞間連絲(plasmodesma)相通,部分小孢子失活緣于不能正常吸收孢粉素合成自身的外壁;藥室表皮、中層和內(nèi)壁細(xì)胞對(duì)花粉的發(fā)育基本無(wú)不良影響,但絨氈層細(xì)胞的不同步分裂和延遲降解導(dǎo)致了花粉塊和異?；ǚ哿?空、癟、小等)的形成。

茉莉的花藥以2 枚為主,偶有1 枚或3 枚,但3 枚花藥的相鄰藥室易發(fā)生融合現(xiàn)象,在花器官發(fā)育過(guò)程中還易發(fā)生雄蕊完全退化或雄蕊與花瓣粘連等異常行為。 此外,雄蕊比雌蕊短且花瓣合圍導(dǎo)致的花藥散粉后花粉難以傳播到柱頭,這均對(duì)茉莉的雄性育性和結(jié)實(shí)產(chǎn)生了不利影響[22]。 但Nair 等[24]對(duì)20 份來(lái)自不同產(chǎn)地的茉莉花粉進(jìn)行孢粉學(xué)特征(palynological feature)比較,發(fā)現(xiàn)花粉粒形狀、萌發(fā)孔數(shù)目和外壁紋飾等特征基本一致,僅在花粉外壁的脊(muri)和腔(lumina)上有細(xì)微的差別,說(shuō)明茉莉花粉的形態(tài)在進(jìn)化上是相對(duì)保守的,孢粉學(xué)特征可用于茉莉的分類和親緣關(guān)系研究。

1.2 雌性生殖發(fā)育特性

除了花粉活力差導(dǎo)致的受精率較低外,張澤岑[18]認(rèn)為胚乳發(fā)育不正常或胚與胚乳生理不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的胚敗育也是影響茉莉結(jié)實(shí)的重要原因,尤其是光照強(qiáng)度、溫度和濕度不適而引起的胚囊發(fā)育異常,會(huì)致使種子發(fā)育不良或無(wú)法形成種子。 賴明志等[19]觀察了茉莉的花器官結(jié)構(gòu)與發(fā)育,發(fā)現(xiàn)茉莉的胚珠無(wú)珠被,多為橫生(少數(shù)曲生),屬于蓼型(Polygonum type)胚囊;在花芽分化中期有約99%的卵器、中央細(xì)胞和反足細(xì)胞敗育及卵細(xì)胞發(fā)育不良,其也認(rèn)為除花粉不育外,卵器異常是茉莉罕見(jiàn)結(jié)實(shí)的根本原因。 曾貞等[25]認(rèn)為茉莉胚珠是單珠被、厚珠心、彎生型,而雌配子體的發(fā)育基本正常并與小孢子及雄配子體發(fā)育過(guò)程基本同步,即雌性育性并不是影響茉莉結(jié)實(shí)的主要原因。 Deng等[22]發(fā)現(xiàn)雙瓣茉莉子房是兩心室,對(duì)生2 個(gè)短珠柄的半倒生胚珠,具有單珠被和厚珠心特征;胚囊發(fā)育類型屬于蓼型單孢子胚囊,孢原細(xì)胞在幼蕾期已經(jīng)分化為大孢子母細(xì)胞,后者在幼蕾變白時(shí)即開(kāi)始減數(shù)分裂并在花蕾膨大時(shí)發(fā)育為四分體;隨后在花蕾伸長(zhǎng)的過(guò)程中,近合點(diǎn)端的一個(gè)大孢子經(jīng)過(guò)連續(xù)有絲分裂發(fā)育成胚囊,其對(duì)大孢子的觀察與曾貞等[25]的結(jié)果相似。 但Deng 等[22]發(fā)現(xiàn)開(kāi)花時(shí)正常雌配子體的比例很低(不到5%),且多數(shù)胚囊在發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)停滯、降解等異常行為,尤其是在胚囊發(fā)育的后期(即多核胚囊時(shí)期),異常比例接近50%,因此雙瓣茉莉的雌性育性多存在異常。 此外,與大多數(shù)物種的閉合型(實(shí)心型)或開(kāi)放型(中空型)花柱不同,茉莉的花柱是介于這兩類之間的一種中間形式的花柱(上部三分之一實(shí)心、下部三分之二中空)[22],而中間型花柱是豆科和石蒜科[26]等少數(shù)物種中才有的花柱形態(tài)。 Deng 等[22,27]研究認(rèn)為中間型花柱可能會(huì)對(duì)茉莉授粉后花粉管的生長(zhǎng)造成不利影響;進(jìn)一步開(kāi)展超微結(jié)構(gòu)的觀察,發(fā)現(xiàn)在茉莉盛花時(shí)柱頭細(xì)胞已開(kāi)始凋亡,花柱組織細(xì)胞也在花粉管尚未到達(dá)胚囊時(shí)表現(xiàn)出衰老特征,如代謝活性下降、部分細(xì)胞器解體、葉綠體、基質(zhì)片層和淀粉粒數(shù)減少等;單、雙、重瓣茉莉之間的雜交試驗(yàn)說(shuō)明,即使不同瓣型茉莉雜交時(shí)花粉與柱頭可被認(rèn)為是親合的,但基于花粉萌發(fā)少、花粉管生長(zhǎng)異常和柱頭上的胼胝質(zhì)反應(yīng),表明其并不是高度親合的,即親合性較差;由于受精作用基本無(wú)法正常完成,故可判斷茉莉雜交的生殖障礙屬于受精前障礙類型,而胚囊敗育、花粉管無(wú)法正常進(jìn)入柱頭、在花柱中生長(zhǎng)受抑等,則是受精前障礙產(chǎn)生的主要原因。

2 分子生物學(xué)研究現(xiàn)狀分析

與其他園藝植物相比,關(guān)于茉莉分子生物學(xué)特性方面的研究起步較晚,也不夠深入。 自邱長(zhǎng)玉等[28]首次采用改良CTAB 法提取茉莉基因組DNA 以來(lái),關(guān)于茉莉分子生物學(xué)特性的研究報(bào)道主要集中于分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)、遺傳多樣性分析、香氣物質(zhì)合成相關(guān)酶基因的克隆等方面。

2.1 分子標(biāo)記與遺傳多樣性研究

邱長(zhǎng)玉等[29]研究PCR 反應(yīng)體系的主要成分及退火溫度等因素對(duì)茉莉花ISSR 擴(kuò)增結(jié)果的影響,建立了穩(wěn)定的ISSR-PCR 反應(yīng)體系,得到了清晰、多態(tài)性位點(diǎn)豐富、具有較好重復(fù)性的ISSR 帶譜。 在此基礎(chǔ)上,對(duì)采自廣西橫縣的30 份茉莉材料進(jìn)行遺傳多樣性分析,在聚類分析樹(shù)狀圖中將30 份資源分為2 大類,表明ISSR 技術(shù)可有效地用于茉莉花的品種鑒別和分子標(biāo)記輔助育種[30-31]。 Ghasemi 等[32]采用ISSR 標(biāo)記對(duì)伊朗的8 個(gè)種53 份茉莉?qū)儋Y源進(jìn)行遺傳多樣性分析,基于21 對(duì)ISSR 引物產(chǎn)生的981 個(gè)不同條帶,將53 份資源也劃分為兩大類,而單瓣、雙瓣和半雙瓣(semidouble)類型被聚在同一個(gè)亞類,表明三者間親緣關(guān)系較近。 Li 等[33]應(yīng)用Illumina 鳥(niǎo)槍測(cè)序法(霰彈槍定序法)對(duì)采自華南植物園和昆明植物園的2 個(gè)栽培群體共24 份個(gè)體資源進(jìn)行微衛(wèi)星標(biāo)記(microsatellite marker)開(kāi)發(fā)研究,獲得1 322 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn),且有31對(duì)引物擴(kuò)增出多態(tài)性,表明不同栽培個(gè)體間有遺傳分化。 近年 來(lái), 劉 忠 等[34]利 用TRAP (target region amplification polymorphism)標(biāo)記技術(shù)對(duì)包括單瓣、雙瓣和多瓣茉莉花在內(nèi)的28 份材料進(jìn)行遺傳多樣性分析,25 對(duì)引物共擴(kuò)增出136 個(gè)多態(tài)性條帶,表明參試茉莉花種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性;遺傳相似系數(shù)進(jìn)行的聚類分析結(jié)果表明,部分茉莉種間存在較大的遺傳差異,但大部分栽培種質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)仍相對(duì)較窄,尤其是單瓣、雙瓣和多瓣茉莉間差異較小,被聚到同一個(gè)類群。 此外,來(lái)源地較遠(yuǎn)的茉莉花種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系也相對(duì)較遠(yuǎn)。

2.2 功能基因相關(guān)研究

茉莉花以其獨(dú)特的香氣而被廣泛用于花茶和香精加工產(chǎn)業(yè)。 目前對(duì)茉莉花芳香性化合物含量、分離、鑒定等方面已有大量報(bào)道,如茉莉花發(fā)育和釋香過(guò)程中精油組成與含量變化規(guī)律的研究[35-37]、不同瓣型茉莉在不同花期揮發(fā)性成分的GC-MS 鑒定[38-39]等。 隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展,關(guān)于茉莉功能基因的研究主要集中于與花香物質(zhì)合成相關(guān)的次生代謝產(chǎn)物上,并通過(guò)酶、轉(zhuǎn)錄組、基因克隆及生物信息學(xué)分析等研究手段進(jìn)行分子機(jī)制的揭示。

茉莉鮮花的芳香性化合物主要成分為萜烯類和苯丙烷類,萜烯類主要包括羅勒烯[(E)-β-ocimene]、芳樟醇(linalool)和α-法呢烯(α-farnesene),苯丙烷類主要是乙酸芐酯( benzylacetate)、 苯甲酸甲酯(methylbenzoate) 和水楊酸甲酯(methylsalicylate)等[37,40]。 由圖1 可知,萜烯類物質(zhì)的代謝途徑包括甲羥戊酸(mevalonic acid,MVA)途徑和甲基赤酰糖醇磷酸(2-C-methylerythritol 4-phosphate,MEP)途徑,MVA主要合成倍半萜和三萜,是乙酰CoA 經(jīng)一系列酶促反應(yīng)產(chǎn)生異戊烯基焦磷酸(isopentenyl pyrophosphate,IPP)和二甲丙烯焦磷酸(dimethylallyl pyrophosphate,DMAPP)的過(guò)程,其中3-羥基-3-甲基戊二?；?輔酶A(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase,HMGR)是關(guān)鍵酶。 MEP 主要合成單萜和雙萜,是丙酮酸( pyruvic acid ) 和 磷 酸 甘 油 醛 ( 3-phosphoglyceraldehyde)在1-脫氧木酮糖-5-磷酸合成酶(1-deoxyxylulose 5-phosphate synthase,DXS)和1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶(1-deoxyxylulose 5-phosphate reductoisomerase,DXR)等酶的作用下產(chǎn)生萜烯類共同前體物IPP 和DMAPP,再經(jīng)不同酶的作用合成牻牛兒基焦磷酸(geranyl pyrophosphate,GPP)、法呢基焦磷酸(farnesyl pyrophosphate,FPP)和牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate,GGPP)的過(guò)程[40]。 歐雪鳳[41]以雙瓣茉莉葉片和花蕾為試驗(yàn)材料,利用RT-PCR 和RACE 技術(shù)獲得了脂肪酸過(guò)氧化氫酶(fatty acid hydroperoxide lyase,HPL)和香葉烯D合酶(germacrene D synthase,GDS)基因的cDNA 全長(zhǎng),并在推導(dǎo)出各自氨基酸序列的基礎(chǔ)上研究了其在不同器官和不同花期的表達(dá)特性,發(fā)現(xiàn)茉莉JsGDS 基因主要在花蕾中表達(dá),從而為茉莉花屬于“氣質(zhì)花”提供了分子理論依據(jù)。 孫君等[42-44]以雙瓣茉莉花瓣為試驗(yàn)材料,獲得茉莉花香氣形成限速酶DXS 基因JsDXS 和關(guān)鍵酶GGPPS 基因JsGGPPS,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這2 個(gè)基因的表達(dá)均受生物鐘的調(diào)控,并與茉莉花的釋香趨勢(shì)相似。

圖1 茉莉花香氣中主要萜類化合物的代謝途徑[40]Fig.1 The metabolism pathway of main scent terpenoids in jasmine flower[40]

圖2 茉莉花香氣中主要苯環(huán)類化合物的代謝途徑(參考Bera 等[40]繪制)Fig.2 The metabolism pathway of main scent benzenoids in jasmine flower(drawing by referencing Bera et al.[40])

由圖2 可知,茉莉花中苯環(huán)類芳香化合物的合成分別以莽草酸(shikimic acid)、分支酸(chorismic acid)、 苯 丙 氨 酸(phenylalanine)、 肉 桂 酸(transcinnamic acid) 等為前體, 在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanin ammonia lyase,PAL)、苯甲醇乙酰基轉(zhuǎn)移酶(benzyl acetyltransferase,BEAT)、安息香酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶( benzoic acid carboxyl methyltransferase,BAMT)、水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(salicylic acid carboxyl methyltransferase,SAMT)、苯甲醇苯乙?；D(zhuǎn)移酶(benzyl phenyl acetyltransferase,BEBT)、安息香酸水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶( benzoic acid salicylic acid carboxymethyltransferase,BSMT)和芳樟醇合酶(linalool synthase,LIS)等作用下,經(jīng)莽草酸途徑和苯類/苯丙素類途徑生成。 張芊[45]利用cDNA-AFLP 技術(shù)篩選出調(diào)控花香物質(zhì)合成相關(guān)的差異基因100 個(gè),發(fā)現(xiàn)有85 個(gè)可能參與了與茉莉花香氣相關(guān)的萜類、苯類/苯丙素類和脂肪酸代謝途徑,并確定了與花香合成途徑相關(guān)、在不同時(shí)期的表達(dá)差異與cDNA-AFLP 分析結(jié)果一致的6 個(gè)基因,即甲羥戊酸磷酸激酶(phosphomevalonate kinase,PMK)基因、阿魏酸-5-羥化酶(ferulic acid 5-hydroxylase,F5H) 基因、脂肪氧合酶(lipoxygenase,LOX)基因、3-酮酯酰-CoA 硫解酶(3-ketoacyl CoA thiolase 2) 基 因、 苯 丙 氨 酸 裂 解 酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)基因和茉莉酸誘導(dǎo)蛋白(jasmonate induced protein)基因。 俞瀅等[46]克隆了萜類合成酶(terpene synthase,TPS)基因的全長(zhǎng)cDNA,發(fā)現(xiàn)該基因編碼的氨基酸序列屬于α-法呢烯合酶(α-farnesene synthase)分支,表達(dá)量具有隨著花的開(kāi)放而增加的特性。 Yu 等[47]研究與α-法呢烯合成相關(guān)的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 合酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase,HMGS)、3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase,HMGR)、法呢基焦磷酸合酶(farnesyl pyrophosphate synthase,FPPS)、TPS 等基因在不同花期的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)它們?cè)诨ㄆ鞴僦械谋磉_(dá)特征與α-法呢烯的釋放特征一致,而HMGR 抑制劑洛伐他丁(lovastatin)可導(dǎo)致花朵失去茉莉花獨(dú)特的香甜氣味,從而證明了α-法呢烯是茉莉花釋放的一種主要的芳香性化合物。 Bera 等[40]研究PAL 和萜烯類途徑的2個(gè)代表性酶即1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原異構(gòu)酶( 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase,DXR)基因和TPS 基因的時(shí)空表達(dá)特性,以及苯類/苯丙素類物質(zhì)代謝途徑中多個(gè)酶的離體活性,包括苯甲酸乙?；D(zhuǎn)移酶 ( acetyl-CoA: benzylalcohol acetyltransferase,BEAT)、安息香酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(Sadenosyl-L-methionine: benzoic acid carboxyl methyltransferase,BAMT)和水楊酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶(Sadenosyl-L-methionine: salicylic acid carboxyl methyltransferase,SAMT)等,發(fā)現(xiàn)上述酶基因的活性均呈現(xiàn)與苯環(huán)型和萜烯類化合物釋放相關(guān)的節(jié)律性。 此外,研究還認(rèn)為茉莉花萜烯類揮發(fā)物的釋放可在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)節(jié),從而為人工控制茉莉花香氣釋放進(jìn)程提供了理論依據(jù)。

Li 等[48]采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA sequencing)的方法,鑒定出4 577 個(gè)差異表達(dá)基因(differentiallyexpressed genes,DEGs),Gene Ontology(GO)和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)通路富集分析表明,存在于氧化還原過(guò)程(oxidation-reduction process)、胞外區(qū)(extracellular region)、類固醇生物合成 ( steroid biosynthesis )、 鞘 糖 脂 生 物 合 成(glycosphingolipid biosynthesis)、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(plant hormone signal transduction)和戊糖、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)換(pentose and glucuronate interconversions)六大類中的DEGs 可能與花器官的發(fā)育相關(guān)。 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),分別有5 個(gè)花發(fā)育和19 個(gè)花香相關(guān)基因表現(xiàn)出至少4 倍的差異,為茉莉的開(kāi)花機(jī)理和分子育種研究提供了較豐富的分子遺傳學(xué)信息。

3 展望

茉莉花并不是完全不能結(jié)實(shí),其果實(shí)為紫黑色扁球形漿果狀核果[17,27],其種子在適宜的溫度、光照等條件下,發(fā)芽率可達(dá)84%以上,且實(shí)生后代苗表現(xiàn)出一定的形態(tài)變異[49]。 因此,通過(guò)一定措施提高植株的育性水平,可在一定程度上克服茉莉的生殖障礙,獲得具有變異性狀的自交和雜交后代。

茉莉生殖發(fā)育受到多種因素的影響,如張澤岑[18]發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度影響茉莉結(jié)實(shí),認(rèn)為強(qiáng)光照能促進(jìn)其結(jié)實(shí);鄧衍明等[50]發(fā)現(xiàn)不同濃度秋水仙素處理茉莉腋芽對(duì)花芽分化和花器官發(fā)育有顯著影響,不僅出現(xiàn)死蕾等異?，F(xiàn)象,還會(huì)導(dǎo)致減數(shù)分裂出現(xiàn)落后染色體、染色體橋和微核等異常行為。 Deng 等[51-53]比較了不同時(shí)期和程度的遮陰對(duì)雙瓣和重瓣茉莉生長(zhǎng)發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)光照不僅影響植株的生理代謝、生化反應(yīng)和解剖結(jié)構(gòu),還影響花芽分化數(shù)和花器官的發(fā)育進(jìn)程。 由于茉莉花原產(chǎn)熱帶,葉茂宗等[54]認(rèn)為花芽分化需要24℃以上的高溫,其中花器官發(fā)育的最適溫度為32 ～37℃,且同時(shí)需要較強(qiáng)的光照、充足的水分等條件。 因此,通過(guò)優(yōu)化環(huán)境因子、提供盡可能與起源地相似的環(huán)境條件,有望提高茉莉花植株的育性水平從而利于結(jié)實(shí),但這些環(huán)境因素和化學(xué)處理影響茉莉花生殖發(fā)育的分子機(jī)制,尚需進(jìn)一步研究。

目前,關(guān)于茉莉花生殖發(fā)育特性的研究多集中在細(xì)胞水平,大多通過(guò)器官形態(tài)描述、組織切片觀察和細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析以判斷發(fā)育過(guò)程是否正常,而較少涉及化學(xué)物質(zhì)的組成和含量的變化。 如高麗萍等[55-56]研究了茉莉花香氣釋放過(guò)程中部分酶和內(nèi)源激素的含量變化,但未涉及其與生殖發(fā)育間的關(guān)系。 Seifert 等[57]研究表明阿拉伯半乳糖蛋白(arabinogalactan-proteins,AGPs)作為植物中一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子家族,在植物配子體形成甚至整個(gè)生殖發(fā)育過(guò)程中都發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。 擬南芥中AGP1、4、12 和15 在柱頭中表達(dá)并和花粉管互作,AGP1 和AGP4 引導(dǎo)花粉管在花柱中生長(zhǎng),而AGP1、AGP4、AGP9、AGP12 和AGP15 則在胚珠中表達(dá),調(diào)控受精過(guò)程和胚胎的發(fā)育[58-59]。 此外,長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)已被證實(shí)在植物有性生殖中起重要作用,尤其在生殖細(xì)胞的特異性分化和染色質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中有重要功能[60]。 因此,考慮到茉莉花粉活力較低、胚囊發(fā)育多不正常、花粉管在花柱中生長(zhǎng)受抑等因素,可進(jìn)一步對(duì)AGPs 或lncRNAs 開(kāi)展研究,或能有效揭示茉莉花生殖障礙的分子機(jī)制。

茉莉花香氣合成MVA 途徑中HMGS、HMGR、FPPS 和TPS 4 個(gè)關(guān)鍵酶的基因表達(dá)情況、DXS 和GGPPS 的表達(dá)情況及涉及苯類/苯丙烷類物質(zhì)合成的PAL、 BEAT、 BAMT、 SAMT 等 酶 的 基 因 已 被 報(bào)道[40,42-44,47],但以上研究?jī)H針對(duì)少數(shù)基因,尚有多個(gè)功能基因需進(jìn)一步發(fā)掘、克隆和解析。 Bera 等[40]發(fā)現(xiàn)了部分酶基因活性與茉莉花瓣中苯環(huán)類和萜烯類化合物釋放相關(guān)的節(jié)律性,但未涉及到對(duì)這些酶活性進(jìn)行周期性控制的基因及功能,因此仍無(wú)法解釋茉莉花只在夜里開(kāi)放、釋香的分子機(jī)理,無(wú)法為人工控制或改變茉莉花的開(kāi)放或釋香時(shí)間提供理論依據(jù)。 由于生物節(jié)律性是生物體對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的綜合反應(yīng),是十分復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程,不僅受到時(shí)鐘基因(clock gene)(bmal1)的控制,同時(shí)也受到表觀遺傳調(diào)節(jié)(epigenetic regulation)及DNA 甲基化(DNA methylation)的調(diào)控作用[61]。 此外,植物芳香性化合物的代謝不僅受到關(guān)鍵酶功能基因的控制,還受到轉(zhuǎn)錄因子(transcript factors,TFs)的調(diào)節(jié)[62]。 Bera 等[40]曾推測(cè)茉莉花萜烯類化合物的釋放可能受到轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 Li 等[48]采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方法獲得了與茉莉花發(fā)育和花香相關(guān)的差異表達(dá)基因,但這些差異表達(dá)基因的功能尚需進(jìn)一步驗(yàn)證,轉(zhuǎn)錄因子對(duì)這些功能基因的調(diào)控作用也尚需深入研究。

隨著測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展和成本的快速下降,轉(zhuǎn)錄組、基因組測(cè)序已經(jīng)在揭示諸多物種的起源、演化和解析很多重要性狀的分子機(jī)制方面發(fā)揮了重要作用[63-65]。 因此,今后可啟動(dòng)茉莉花的全基因組測(cè)序工作,并綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因組學(xué)和代謝組學(xué)的技術(shù)手段開(kāi)展茉莉的分子生物學(xué)特性研究,以全面揭示茉莉花的遺傳背景,為快速實(shí)現(xiàn)更多基因的克隆和功能解析提供充足的數(shù)據(jù)資源。