洋蔥鱗莖顏色遺傳與分子調控機制研究進展

徐宏志，劉冰江，任秀梅，王勇，吳雄，楊妍妍

（1.東北農業大學園藝園林學院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.山東省農業科學院蔬菜研究所，山東 濟南 250100；3.臨沭縣農業農村局，山東 臨沭 276700）

洋蔥（Allium cepa L.）又稱玉蔥、圓蔥等，屬于石蒜科蔥屬蔬菜［1］，以肥大的肉質鱗莖為食用器官，富含類黃酮、膳食纖維等營養成分，對人類心血管疾病、糖尿病和支氣管哮喘有較好的輔助治療作用，對癌癥、高血壓和高血脂也能起到良好的預防功效，具有較高的食用和藥用價值［2］。鱗莖顏色是與洋蔥營養價值和商品性直接相關的重要特征之一，也是洋蔥的一個重要育種性狀，既是為了滿足消費者需求，也是因為植物色素與人類健康密切相關［3］。

洋蔥屬于二年生異花授粉植物，育種周期長，選育符合需求的不同皮色的品種非常困難。本文對影響洋蔥鱗莖皮色形成的重要代謝物類黃酮的生物合成途徑、調控鱗莖顏色機制以及類黃酮代謝途徑中重要結構基因的分子標記進行了綜述，以期為洋蔥鱗莖皮色改良相關研究提供理論基礎和依據，從而拓寬洋蔥種質材料遺傳背景，快速高效選育具有目標皮色的洋蔥品種，有效地提高洋蔥的營養價值和市場價值。

1 洋蔥鱗莖不同皮色表型形成原因

鱗莖皮色是洋蔥產品器官最顯著的特征，有白色、黃色、金黃色、淺紅色或紅色，導致洋蔥鱗莖出現不同顏色的自然產物主要為類黃酮化合物。類黃酮化合物的種類和積累水平不同，使得洋蔥鱗莖形成了多種顏色表型［4］。類黃酮代謝涉及多種關鍵酶包括查爾酮合成酶（chalcone synthase，CHS）、查爾酮異構酶（chalcone isomerase，CHI）、黃烷酮3-羥化酶（flavanone 3-hydroxylase，F3H）、黃酮 醇合 成 酶（flavonol synthase，FLS）、二氫黃酮醇-4-還原酶（dihydroflavonol 4-reductase，DFR）、花青素合成酶（anthocyanidin synthase，ANS）等，這些酶相關基因的突變是造成鱗莖顏色變異的主要原因［5-10］。紅皮洋蔥富含花青素，淡黃皮洋蔥富含黃酮醇，亮黃皮洋蔥富含查爾酮。其中，黃酮醇含量在不同洋蔥品種中變化很大，黃皮品種含量在270～1 187 mg·kg-1FW之間，紅皮品種含量在415～1 917 mg·kg-1FW之間，而白皮品種鱗莖中黃酮醇含量非常少；花青素在紅皮品種中含量較高，大約占總類黃酮含量的10%［11］。

2 環境因子對洋蔥鱗莖類黃酮含量與顏色的影響

不同品種、不同發育階段、不同環境條件下，洋蔥鱗莖中的類黃酮化合物組成和含量不同。研究表明，環境因素對洋蔥中槲皮素含量的影響比土壤類型和生長時期更大［12］，在恒溫恒濕冷藏條件下，槲皮素糖苷在整個儲藏期內均保持較高濃度［13］。收獲時間對洋蔥類黃酮含量有很大影響，洋蔥生長期的大部分類黃酮合成發生在收獲前的最后幾周，收獲后放在大田晾曬10 d左右，可顯著提高洋蔥可食部分的黃酮含量；栽培措施會影響洋蔥鱗莖顏色和類黃酮含量，但土施氮肥對洋蔥類黃酮水平的影響很小［14］。花色苷含量的季節變化表明，太陽照射和溫度是影響花色苷積累的重要因素。干燥和炎熱季節生長的洋蔥類黃酮含量較高，而在空氣和土壤溫度低、土壤含水量高條件下生長的洋蔥類黃酮含量較低［15］。貯藏過程中光照處理提高了洋蔥中槲皮素的水平；經較低溫度處理的紅洋蔥品種含有更多的花青素，外皮顏色更深，而在常溫貯藏過程中洋蔥花青素含量能降低63%～75%［16-18］。

3 洋蔥鱗莖顏色的遺傳模式

洋蔥鱗莖顏色的遺傳模式比較復雜，早期研究認為洋蔥鱗莖顏色主要由I、C、G、L和R 5個基因位點控制［19-22］。其中，C為基本色素基因，對c為完全顯性。當C位點是純合隱性（cc）時，不管其他位點是什么基因型，鱗莖外皮都表現為白色，而至少需要一個顯性的C等位基因鱗莖才表現為黃色或紅色，這意味著該白色對黃色或紅色是隱性的，稱為隱性白色。在隱性白鱗莖中沒有檢測到槲皮素或花青素化合物。

I為顏色抑制基因，如果I位點的基因型是純合顯性的，那么無論其他位點如何，鱗莖的顏色都會變成白色；但當I位點基因型為雜合時，出現乳白色或淺黃色鱗莖。由于I位點賦予的白色相對于黃色和紅色是顯性的，這種類型的白色鱗莖顏色被稱為顯性白色。I位點的因果基因仍不清楚，只是被定位到3號染色體上［23］。

L和R位點與紅色外皮相關，至少有一個顯性基因存在時才會表現為紅色，L和R位點都是純合顯性時鱗莖外皮表現為深紅色；如果兩個位點中的任何一個是隱性純合，則不會出現紅色鱗莖。Khar［24］和Duangjit［25］等發現了與L連鎖的第二個位點（L2），在該位點上顯性等位基因與R位點相互作用以調控鱗莖的紅色。

G位點與黃色有關，iiC-G-的基因型為金黃色，純合隱性基因型（iiC-gg）為黃色［19］。

4 類黃酮代謝關鍵基因與洋蔥鱗莖顏色形成

4.1 結構基因

4.1.1 DFR和ANS DFR基因在控制花青素和原花色素生物合成途徑中起關鍵作用。研究發現DFR基因僅在紅皮洋蔥中表達，DFR-A基因缺失突變導致不能產生花青素而形成黃色鱗莖［26，27］。兩個淺紅色洋蔥的DFR基因都是雜合的，表明紅色對黃色的不完全顯性。

大多數淺紅色洋蔥具有純合隱性ANS基因，表明淺紅色是由單個基因控制的隱性性狀，ANS基因在淺紅色色素沉著中起主要作用［28］。遺傳分析表明，在源自黃色和深紅色親本的F3群體中，淺紅色洋蔥的ANS基因表達降低，且存在8個SNPs和10 bp的缺失，但進一步研究表明這些突變可能不會導致淺紅色，順式作用元件的突變可能是ANS基因表達減少的原因［29］。對來自兩種洋蔥的ANS基因啟動子進行測序，在淺紅色等位基因的啟動子區域發現了390 bp的插入［27］，在ANS-P等位基因的啟動子區插入了一個6 258 bp的非自主轉座子［30］。

4.1.2 CHS和CHI CHS基因編碼的查爾酮合成酶是類黃酮化合物代謝的第一個關鍵酶，CHI基因編碼的查爾酮異構酶催化第二步反應。霍鳳梅等［31］克隆了洋蔥AcChsA基因啟動子，通過瞬時表達驗證了具有活性的AcChsA啟動子。Kim等（2005）觀察到從分離群體中選擇的白皮洋蔥中兩個同源CHS基因（CHS-A和CHS-B）的轉錄顯著降低，然而，CHS-B基因中的SNP標記并不與顏色表型共分離，并且CHS-A基因序列在分離群體中是單態的，推測控制CHS基因轉錄的一個調節基因可能會導致洋蔥鱗莖呈現白皮［32］。

Kim等［33］從美國黃皮洋蔥與巴西黃皮洋蔥雜交的F3群體中發現了含有少量槲皮素的金黃色洋蔥，對其CHI基因測序顯示編碼區提前出現終止密碼子，造成CHI基因突變失活，而且所有金黃色F2群體中都發現了純合CHI等位基因的突變，推測CHI基因突變失活導致了查爾酮衍生物的累積，最終使洋蔥呈金黃色。

4.1.3 其他相關結構基因 UDP葡萄糖-類黃酮3-O-葡萄糖基轉移酶（UDP-glycose flavonoid glycosyltransferase，UFGT）是花色素苷合成的最后一個酶，它可以將不穩定的花色素催化成花色素苷。與黃色鱗莖相比，隱性白洋蔥鱗莖中所有結構基因的轉錄水平和UFGT的轉錄水平均顯著降低［34］。類黃酮3′，5′-羥化酶（F3′5′H）在深紅皮洋蔥的生物合成中起重要作用，F3′5′H/F3′H的比值可能決定洋蔥鱗莖顏色的多樣性［35］。梁毅等［36-38］從洋蔥鱗莖中克隆到花青素合成相關基因PAL、UFGT，其在紅皮洋蔥膨大初期大量表達，之后迅速降低至一定程度后趨于相對平穩表達，與花青素的積累過程相一致；但其在黃皮和白皮洋蔥中表達量極低。

4.2 調節基因

類黃酮生物合成的主要調控點通常發生在轉錄水平，不同的轉錄因子和調節蛋白參與了類黃酮生物合成的調控。

4.2.1 MYB轉錄因子 MYB轉錄因子在類黃酮生物合成中起著重要的調節作用，是花青素合成的正調控因子［39，40］。Schwinn等從洋蔥中分離到與類黃酮途徑不同分支調控相關的R2R3-MYB轉錄因子，屬于共同激活花青素或黃酮醇合成或抑制苯丙酮/類黃酮合成的亞群；其中，MYB1是花青素生物合成的正調控因子，瞬時過表達時可誘導花青素產生，而RNAi瞬時抑制時則通過減少色素沉著來調節花青素合成［41］。

4.2.2 bHLH轉錄因子 bHLH編碼基因可調控植物花青素生物合成途徑。Jo等［42］從洋蔥中發現了編碼bHLH轉錄因子的B2基因，在白色個體和F2、F3群體中轉錄水平顯著降低；在該基因啟動子區域的白色等位基因中發現一個577 bp的非自主DNA轉座子（AcWHITE），但在紅皮和黃皮洋蔥中都沒有AcWHITE插入，推測B2基因可能是C位點的一個因果基因，而且認為B2基因中這一非自主DNA轉座子的轉座是導致洋蔥隱性白色鱗莖的原因。

5 顏色相關基因的定位與分子標記

關于洋蔥重要農藝性狀的分子標記研究，在細胞質和細胞核育性分子標記方面已經有相對比較成熟的標記應用于輔助育種工作［43-46］，但針對洋蔥不同鱗莖顏色的功能標記相對較少。Kim等［7］根據ANS等位基因的插入突變設計了一種基于PCR的分子標記，該標記與F2群體的顏色表型完全共分離，可用于輔助選擇ANS的多個等位基因。Kim等［5］從韓國和日本的黃皮洋蔥育種材料中發現了兩個新的DFR-A等位基因，利用DFR-APS等位基因啟動子區域20 bp的簡單重復序列缺失開發了一種基于PCR的分子標記，用來篩選黃皮洋蔥材料；利用黃色DFR-A等位基因在3′區域大約800 bp的缺失開發出一個基于共顯性PCR的標記，該標記與F2群體中的顏色表型完全分離。根據黃皮和紅皮洋蔥DFR基因2%的多態核苷酸序列設計了PCR-RFLP標記，在F2群體中與紅色表型共分離［25］。

Baek等［34］報道的以GST編碼基因為基礎的GST1標記與C位點有較好的連鎖關系，且因來自候選基因本身，不涉及重組，非常可靠，有望成為洋蔥育種的有用工具，無需進行繁瑣、費時的測交，就可在短時間內有效區分黃白色親本雜交產生的純合顯性和雜合性黃色個體。Havey等［47］在黃褐色與黃皮洋蔥雜交的F2群體中進行SNP基因分型，得到與G位點連鎖的共顯性SNP標記，這有助于將隱性黃褐色鱗莖顏色基因導入其他洋蔥群體中，用于這種獨特顏色洋蔥的商業化生產。

6 結語

影響洋蔥鱗莖皮色變異的遺傳因素非常復雜，涉及多個基因及其相互作用。由于基因組龐大（16.3 Gbp）、生育期長、異花授粉、存在高度自交衰退現象，洋蔥基因組學和遺傳學研究非常困難［48，49］，因此關于洋蔥鱗莖皮色的分子遺傳學研究進展緩慢，幾乎沒有簡單實用的可直接應用于洋蔥皮色育種工作的分子標記。今后可以利用各種組學技術研究洋蔥中類黃酮及其生物合成，進一步闡明洋蔥鱗莖顏色發育的機制，分析不同顏色洋蔥中結構基因和調控基因的差異表達。此外，基因編輯技術在精確利用洋蔥類黃酮途徑相關基因來定向改變鱗莖顏色方面也具有巨大的潛力。洋蔥全基因組測序的初步完成［50］，使分析洋蔥豐富的轉錄組成為可能，這將進一步推動洋蔥鱗莖顏色形成的分子機制的揭示。