大豆種子顏色遺傳調(diào)控機制研究進展

邱紅梅 陳 亮 侯云龍 王新風(fēng) 陳 健 馬曉萍 崔正果 張 玲 胡金海 王躍強,* 邱麗娟

1 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 / 大豆國家工程研究中心, 吉林長春 130033; 2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 農(nóng)作物基因資源與遺傳改良國家重大科學(xué)工程, 北京 100081

大豆種皮色是基本的生物學(xué)性狀, 也是重要的農(nóng)藝性狀, 可用來描述品種特性, 同時也是一種進化性狀[1]。野生大豆一般為黑色種皮, 當前大豆品種多為黃色種皮[2]。在進化過程中, 大豆種皮從黑色逐漸演變成黃、綠、褐、雙色[3]。每種顏色類型按深淺的不同又可細分若干種, 如黃色種皮有白黃、淡黃、濃黃、暗黃等。綠色種皮有淡綠、綠、深綠, 統(tǒng)稱為青豆[4]。褐色種皮有茶色、淡褐、褐、深褐及紅褐等。雙色種皮分為虎斑和鞍掛2種, 底色一般為黃、褐或綠, 虎斑是種皮上有如老虎的條紋, 鞍掛是種臍兩側(cè)有如馬鞍狀的色斑[5-6]。大豆種皮色多樣性高, 表型易于觀察, 是大豆中較早開展遺傳研究的性狀之一[7]。1910年, Piper和Morss[8]首次報道大豆種皮色在雜交子代有分離現(xiàn)象, 但并未明確其遺傳規(guī)律。1918年, Terao[9]報道子葉顏色與黃、綠種皮色的遺傳關(guān)系。1928年, Owen[10]報道了黑色種皮與棕色茸毛位點連鎖。

迄今, 種皮色從經(jīng)典遺傳到分子標記再到功能基因等研究都取得了顯著進展[11-12]。此外, 由于黑豆的保健功能, 種皮中化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成也備受關(guān)注[13]。研究表明, 深色種皮中主要含有花色苷和原花青素,二者的組成比例和分布決定了種皮的著色程度[14]?；ㄉ諏俣喾宇惢衔? 來源類黃酮生物合成途徑,具有酚羥基結(jié)構(gòu)。它對活性氧等自由基具有很強的捕捉能力, 因此抗氧化能力強, 具有藥用價值。青豆種皮中主要含有葉綠素, 葉綠素含量決定了綠色程度[15]?？刂凭G色種皮的基因存在于野生大豆中, 屬于古基因, 但野生大豆種皮的花色苷含量更高, 使種皮顯現(xiàn)黑色。大豆經(jīng)馴化后, 黃種皮的以食用為主; 黑豆列入中藥名錄, 常入中藥[16-18]。隨著人們生活水平的提高和健康意識的加強, 黑豆和青豆也逐漸受到市場歡迎[19]。鑒于種皮色、子葉色與外觀品質(zhì)及內(nèi)在營養(yǎng)價值密切相關(guān), 本文歸納了控制大豆種子顏色的遺傳位點、相關(guān)基因與調(diào)控機制、類黃酮生物合成途徑三方面的研究進展, 以期總結(jié)大豆種子顏色的遺傳調(diào)控機制, 為種子外觀品質(zhì)及營養(yǎng)組分遺傳改良等研究提供參考。

在已發(fā)表的綜述中, 總結(jié)了控制大豆種皮色的5個經(jīng)典遺傳位點與基因的相關(guān)研究進展[20]。本綜述匯總了控制大豆種子顏色的9個經(jīng)典遺傳位點,并將位點-基因-等位基因的調(diào)控機制關(guān)聯(lián)起來, 從點到線繪制了種子顏色的調(diào)控機制。此外將調(diào)控種皮色的相關(guān)基因與主要顯色物質(zhì)類黃酮代謝途徑相結(jié)合, 又從代謝通路繪制了花色苷含量的遺傳調(diào)控途徑, 最終以基因為節(jié)點, 將遺傳位點與代謝產(chǎn)物關(guān)聯(lián)起來, 繪制出大豆種子顏色遺傳調(diào)控網(wǎng)路。

1 控制大豆種子顏色的遺傳位點

大豆種皮色類型多樣, 子葉顏色也有黃綠之分,利用經(jīng)典遺傳學(xué)方法, 明確了9個遺傳位點I、R、T、O、W1、K1、G、D1、D2, 分別位于8、9、6、8、13、11、1、1與11號染色體上(表1)[12,21-22]。此外, 還發(fā)現(xiàn)一個細胞質(zhì)遺傳位點CytG, 位于葉綠體內(nèi)[9,23]。其中I和O位于同一染色體上, 但不存在連鎖關(guān)系;G和D1位點連鎖, 其他位點分屬于不同染色體。這些位點間存在著相互作用, 遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜[24-25]。I、R、T為控制種皮色的主效位點,I位點決定種皮是否含有花色素[26]。據(jù)報道I位點有4個等位基因, 分別為I、ii、ik、i, 顯性關(guān)系順序為I>ii>ik>i[27]。I基因型時, 種皮呈黃色, 我國北方育成品種多為該基因型。ii基因型時, 為黃種皮黑臍。ik基因型時, 種臍色素向外延伸至鞍區(qū), 種皮為鞍掛(圖1-c)。i基因型時,種皮含有花色素, 呈現(xiàn)黑或褐種皮[28]。R位點有4個等位基因, 分別為R、R*、r、rm, 在i基因型背景下, 種皮分別顯現(xiàn)黑色、黑色、褐色、虎斑(圖1-d~f),顯性關(guān)系順序為R>R*>rm>r[29]。T位點主要控制茸毛著色, 同時調(diào)控種皮的著色程度, 含有3個等位基因, 分別為T、t、tm, 表型分別為深褐種皮、棕色茸毛和淺褐種皮、灰色茸毛, 及同一株同時存在棕色和灰色茸毛、深褐和褐色種皮[30-31]。I、R、T位點間不同等位基因組合, 產(chǎn)生不同種皮顏色。IRT和IRt時, 種皮為黃色。ikRT和ikRt時, 種皮為鞍掛, 分別顯現(xiàn)黑鞍和褐鞍。iRT和iRt時, 種皮為黑色與褐色。irT和irt時, 種皮為深褐色與褐色。

表1 控制種子顏色經(jīng)典遺傳位點信息Table 1 Information of classical genetic loci controlling seed color

O、W1位點只有在純合隱性基因型i r背景下才影響大豆種皮的顏色[7]。O位點主要控制種皮的褐色程度, 顯性O(shè)等位基因為褐色種皮, 隱性o等位基因為紅褐色種皮(圖1-h)[32]。W1位點同時控制種皮色和花色, 顯性W1除控制紫花外又可使種皮為黑色, 隱性w1可部分抑制R基因的作用, 呈現(xiàn)淡褐色種皮[33]。K1與I位點存在典型的上位效應(yīng), 顯性K1等位基因不會影響種皮花色素分布和含量, 隱性k1在表觀上克服顯性I和ii等位基因?qū)ΨN皮著色的抑制, 使種皮臍部、鞍區(qū)或更大區(qū)域含有花色素[34]?；蛐虸K1、iiK1、ikK1、iK1, 分別與基因型I、ii、ik、i種皮色一致(圖1-a~d)。Ik1、iik1的種皮色分別為黑色和鞍掛(黃底黑鞍),Ik1的種子在脫水前完全膨大期種皮外緣有一窄條的非黑色區(qū)域, 表明鞍區(qū)花色苷向更大的區(qū)域擴展, 而導(dǎo)致成熟的種子顯現(xiàn)黑色, 其與i基因型黑種皮遺傳機制不同。I基因型時, 種皮、子葉一般為黃色, 顯性G等位基因使種皮顯現(xiàn)綠色, 隱性g等位基因使種皮為黃色[21]。D1、D2位點同時為隱性基因型時, 種皮、子葉才呈現(xiàn)綠色[35-37]。CytG位點為隱性時, 種皮、子葉均為綠色[38-39]。Kohzuma等[40]研究發(fā)現(xiàn), 日本大豆綠子葉資源99.5%由cytG基因控制, 而中國大豆綠子葉資源均為d1和d2基因型。

近年, 伴隨生物技術(shù)發(fā)展, 獲得了控制種子顏色分子標記位點30余個, 分別位于1、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、18、19、20號染色體上(圖2),這些標記位點表明調(diào)控種皮、子葉顏色的遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜[41-42]。其中1、6、8、9、11、13號染色體的一些分子標記, 錨定到控制種皮、子葉色經(jīng)典遺傳位點區(qū)域。王吳彬等利用野生大豆染色體代換系, 在1號染色體發(fā)現(xiàn)分子標記Sat_160與綠色種皮緊密連鎖, 該區(qū)域位于G位點[43-45]。宋健[12]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析也獲得G位點連鎖的SNP分子標記, 并利用遺傳群體, 精細定位該區(qū)域, 最終實現(xiàn)候選基因克隆。此外, 宋健[12]利用BSA法定位了2個控制子葉色位點,qCC1和qCC2, 分別包括經(jīng)典遺傳位點D1和D2。T位點位于6號染色體分子標記Satt207和Satt589之間, 同時獲得與之關(guān)聯(lián)的SNP標記1個[46]。O位點位于8號染色體分子標記Satt286和Satt365之間, 同時發(fā)現(xiàn)與之關(guān)聯(lián)的SNP標記1個。I位點位于8號染色體分子標記A454.p2和AW132402之間, 與Sat_162、SSR53和BARCSO YSSR_08_0539連鎖, 同時得到與之關(guān)聯(lián)的SNP標記6個[47]。目前報道的與I位點連鎖的分子標記最多, 表明該位點主效應(yīng)顯著, 易被檢測到。R位點位于9號染色體分子標記A668-1和K387-1 之間, 與BARCSOYSSR_09_1506和BARCSOYSSR_09_1535連鎖, 同時發(fā)現(xiàn)與之關(guān)聯(lián)的SNP標記1個[48-49]。W1位點位于13號染色體分子標記Satt348和Satt160之間, 同時獲得與之關(guān)聯(lián)的SNP標記1個[50]。這些分子標記的發(fā)現(xiàn)為目標性狀候選基因克隆及分子調(diào)控機制研究奠定了基礎(chǔ)。

2 大豆種子顏色相關(guān)基因及調(diào)控機制

目前已報道調(diào)控種皮顏色相關(guān)基因20個, 控制子葉顏色基因3個, 詳細信息見表2。I位點內(nèi)有3個基因,O位點內(nèi)有2個基因, 其他經(jīng)典遺傳位點內(nèi)均為1個基因。其中4、5、6、11號為花色素合成酶基因的調(diào)控基因, 12、13、14、23號為葉綠素調(diào)控基因, 其余15個基因均為類黃酮代謝途徑酶基因。查爾酮合成酶(chalcon synthase, CHS)基因在大豆中含有9個同源基因, 其編碼產(chǎn)物是類黃酮合成途徑中的關(guān)鍵酶[51-52]。I位點內(nèi)CHS1、3、4均有2個拷貝, 排列方式為CHS1-3-4和CHS4-3-1, 其中CHS1和CHS3可構(gòu)成長倒置重復(fù)序列(long inverted repeats, LIR)[53]。該區(qū)域通過RNA干擾(RNAi)以組織特異性的方式沉默CHS基因的表達, 是自然界發(fā)生RNAi的典型例子之一[54-55]。I或ii等位基因, 可形成長倒置重復(fù)序列, 進而產(chǎn)生siRNAs, 使CHS基因沉默, 種皮為黃色[56]。ii基因型時CHS基因的拷貝數(shù)平均為10.6個, 較I基因型多3個拷貝數(shù), 導(dǎo)致種臍含有花色素。隱性i基因型時, 位點內(nèi)發(fā)生大片段缺失, 不能產(chǎn)生siRNAs, 喪失對CHS基因表達的抑制作用, 種皮、種臍為深色[57]。I位點對種皮色的調(diào)控機制復(fù)雜, 不僅有特殊的結(jié)構(gòu), 還發(fā)現(xiàn)3個靶向調(diào)控基因AGO5、DCL2a、DCL2b。AGO5位于K1位點, 是Argonaute基因家族的一員, 可靶向切割CHS基因的長倒置重復(fù)序列, 產(chǎn)生siRNAs調(diào)控種皮顏色[58]。通過轉(zhuǎn)錄組和基因組重測序發(fā)現(xiàn),Clark18a中隱性k1的ago5基因存在129 bp的缺失,導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄本中第7個外顯子缺失[59]。該基因喪失產(chǎn)生siRNAs的功能, 使種皮鞍區(qū)CHS的mRNA富集,形成黑鞍。對不同資源材料的隱性k1位點進行克隆測序發(fā)現(xiàn), 不同的缺失長度導(dǎo)致種臍兩側(cè)色斑形狀差異, 但具體機制未見報道。DCL2a/2b編碼產(chǎn)物為內(nèi)啡肽酶同源物, 與AGO5基因的作用機制相同,也可靶向切割CHS基因的長倒置重復(fù)序列, 產(chǎn)生22個堿基的siRNAs[60]。當DCL2a和DCL2b被編輯突變后, 喪失對長重復(fù)序列的切割功能, 減少對CHS基因的抑制, 使種皮為褐色。

F3’H(flavanone-3’-hydroxylase)基因位于T位點, 編碼類黃酮-3’-羥基化酶, 是細胞色素P450依賴的單加氧酶[61]。具有保守結(jié)構(gòu)域GGEK, 能與血紅素結(jié)合催化黃烷酮羥基化。隱性t位點, 含有3種等位基因, 分別有單堿基缺失和外顯子區(qū)非同義突變, 最終導(dǎo)致基因功能缺失, 形成褐色種皮、灰色茸毛[62]。tm等位基因時,F3’H基因中插入一個20.5 kb-CACTA轉(zhuǎn)座子。該轉(zhuǎn)座子在生育期間的一些細胞中跳出, 恢復(fù)T基因型。導(dǎo)致同一株即有棕色又有灰色茸毛, 種皮也分別顯現(xiàn)深褐和褐色[31]。F3’5’H(flavanone-3’,5’-hydroxylase)基因位于W1位點, 編碼類黃酮-3’,5’-羥基化酶, 也是細胞色素P450依賴的單加氧酶, 催化黃烷酮羥基化[33]。隱性w1基因型時,F3’5’H基因的第3個外顯子插入53 bp短序列, 導(dǎo)致移碼突變?nèi)笔Яu基化功能, 表型為白花、淡褐種皮。ANR1/2(anthocyanidin reductase)位于O位點內(nèi), 在染色體上串聯(lián)排列, 編碼產(chǎn)物為花青素還原酶, 可合成原花青素, 通過RNAi干涉驗證了它改變種皮色的功能, 但遺傳調(diào)控機制未見報道[32]。R2R3 MYB基因為轉(zhuǎn)錄因子, 位于R位點, 可調(diào)控花青素合成酶(anthocyanidin synthase, ANS)基因的表達[63]。r基因型時,R2R3 MYB基因有一個堿基C的缺失, 導(dǎo)致移碼翻譯產(chǎn)物提前終止, 比成熟的完整蛋白質(zhì)短152個氨基酸[64]。R2R3 MYB基因的第2個內(nèi)含子插入13 kb-CACTA轉(zhuǎn)座子, 根據(jù)表型又分為2種等位基因型:R*和rm。R*基因型時, 轉(zhuǎn)座子的CACTA序列具有更高的甲基化水平, 轉(zhuǎn)座酶無法與之結(jié)合, 缺乏轉(zhuǎn)座活性,R2R3 MYB基因的轉(zhuǎn)錄拼接得以正常進行, 盡管轉(zhuǎn)錄水平較低, 足夠刺激花青素的產(chǎn)生, 從而形成黑色種皮。rm基因型時,CACTA區(qū)的甲基化水平較低, 轉(zhuǎn)座酶可與之結(jié)合,阻止R2R3 MYB基因的內(nèi)含子剪接, 導(dǎo)致棕色種皮背景; 同時在一些細胞中轉(zhuǎn)座子被切除,R2R3 MYB得以轉(zhuǎn)錄調(diào)控ANS基因產(chǎn)生花色素, 形成黑色條紋。

CPSI基因編碼CAAX自身免疫蛋白酶, 位于G位點, 可防止葉綠素降解使成熟種皮為綠色[65]。隱性g基因第8內(nèi)含子的末端發(fā)生A-G堿基突變, 使基因翻譯提前終止, 種皮為黃色[66]。G基因也可以調(diào)控種子的休眠, 在馴化過程中受到選擇, 表明種皮色調(diào)控基因也存在其他重要功能。SGR1/2基因編碼保持綠色蛋白, 位于D1和D2位點內(nèi)。SGR基因通過轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平, 調(diào)控葉綠素降解酶而參與葉綠素降解[67]。顯性D1D2具有調(diào)控葉綠素降解功能, 子葉呈黃色。隱性d1d2由于單堿基的缺失及大片段插入, 缺失調(diào)控葉綠素降解功能, 使子葉保持綠色[12]。Psbm基因編碼光系統(tǒng)II反應(yīng)中心M亞基,位于CytG位點內(nèi), 為母系遺傳基因。隱性psbm基因中蛋白編碼區(qū)有5 bp的堿基插入, 產(chǎn)生移碼突變導(dǎo)致基因翻譯提前終止, 使葉綠素b降解受阻。顯性Psbm基因使成熟種子為黃皮黃子葉, 隱性psbm基因使成熟種子為綠皮綠子葉[40]。表2中15~22號為類黃酮合成酶基因, 分別為查爾酮異構(gòu)酶1A/2(chalconce isomerase, CHI1A/2)基因、黃烷酮-3-羥化酶(flavanone-3-hydroxylase, F3H)基因、二氫黃酮醇還原酶1/2 (dihydroflavonol 4-reductase, DFR1/2)基因、花青素合成酶2/3 (anthyocyanidin synthase,ANS2/3)基因、UDP類黃酮葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UDPflavonoid 3-O-glucosyltransferase, UF3GT)基因[68]。其中F3H、DFR1、DFR2分別位于控制花色的Wp、W3、W4的位點內(nèi)。這些基因在不同顏色的種皮中差異表達, 并且隨著種子發(fā)育時期而變化, 進而調(diào)控種皮色[69-70]。綜上可知, 種子顏色由多基因調(diào)控,大部分基因的遺傳調(diào)控機制已經(jīng)解析(表3), 但仍有部分基因的分子調(diào)控機制未知。

3 大豆類黃酮生物合成途徑及主要產(chǎn)物的生理功能

迄今, 已報道23個種子顏色調(diào)控基因, 除G、D1、D2、CytG基因外, 其他19個均在類黃酮合成途徑通路上。因此充分了解類黃酮生物合成途徑,可更好地明晰種皮色的調(diào)控機制。類黃酮是次生代謝產(chǎn)物中重要的一類, 其核心結(jié)構(gòu)是由15個碳原子構(gòu)成的苯丙烷[71]。其中2個六碳芳香環(huán)(A環(huán)和B環(huán))被1個三碳雜環(huán)(C環(huán))所連接, 在代謝通路上通過對C環(huán)的重排、氧化、烷化、糖基化等最終形成穩(wěn)定的原花青素或花色苷[72]。二者為有色化合物, 使種皮、花和茸毛著色[73]。類黃酮生物合成屬于次生代謝, 易受環(huán)境等因素影響, 調(diào)控機制非常復(fù)雜, 目前仍存在著未知代謝通路[74]。通過歸納總結(jié)已有研究成果, 將已報道的19個基因和相關(guān)代謝產(chǎn)物關(guān)聯(lián),繪制出種皮色相關(guān)基因調(diào)控的大豆類黃酮生物合成途徑(圖3)。

具體過程如下, 1分子香豆酰輔酶A(4-coumaroyl-CoA)和3分子丙二酰輔酶A (3 malonyl-CoA)在查爾酮合成酶(CHS)的作用下形成柚皮苷查爾酮(naringenin chalcone)。DCL2a/b和AGO5基因通過調(diào)節(jié)CHS基因的mRNA含量, 進而調(diào)控查爾酮合成酶的含量和活性, 由于該酶是類黃酮合成途徑第1個酶, 對整個代謝途徑都有限速調(diào)控功能。柚皮苷查爾酮在查爾酮異構(gòu)酶(CHI)的催化下形成無色的三羥基黃烷酮(Naringenin)。三羥基黃烷酮之后產(chǎn)生3個分支, 分別在黃烷酮3’-羥化酶(F3’H)、黃烷酮3-羥化酶(F3H)、黃烷酮3’,5’-羥化酶(F3’5’H)的催化形成四羥基黃烷酮(eriodictyol)、二氫山萘酚(dihydrokaempferol)、五羥基黃烷酮(5’ OH Eriodictyol)[75]。四羥和五羥基黃烷酮在F3H的催化下形成二氫槲皮素(dihydroquercetin)和二氫楊梅素(dihydromyricetin), 二氫山萘酚在F3’H和F3’5’H的催化下也可形成二氫槲皮素和二氫楊梅素。二氫槲皮素、二氫山萘酚和二氫楊梅素在二氫黃酮醇還原酶(DFR)的催化下進一步還原形成不穩(wěn)定的無色花色素, 然后再在花青素合成酶(ANS)的作用下形成花色素, 分別為矢車菊素(cyanidin)、天竺葵花素(pelargonidin)、翠雀花素(delphinidin)[76]。R位點的MYB轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)控ANS2/3基因的表達, 進而調(diào)控ANS酶的含量和活性, 調(diào)節(jié)花色素的含量, 影響種皮色[77]。花色素作為前體, 在花青素還原酶(ANR)和UDP類黃酮葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(UF3GT)的催化下分別形成原花青素(proanthocyanins)和花色苷(anthocyanins)。UF3GT基因在種子成熟過程中表達量不斷升高, 在種子成熟的中后期達到峰值。類黃酮生物合成途徑的兩大產(chǎn)物分別為原花青素和花色苷?；ㄉ蘸扛哂谠ㄇ嗨貢r, 種皮呈黑色,反之成褐色。當原花青素高時, 二者比例決定褐色程度[78]。

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原花青素和花色苷, 是植物中廣泛存在的水溶性天然色素[79]。近年, 天然色素的功能和重要性逐漸凸顯, 目前已應(yīng)用于臘腸、果汁飲品、牙膏、再造煙葉等的染色上[80-83]。黑豆種皮富含原花青素和花色苷, 有研究報道將其應(yīng)用于蠶絲織物染色[84]。關(guān)于黑豆皮的藥用研究已有千年歷史, 《名醫(yī)別錄》載, 黑豆皮中藥稱“料豆衣”。料豆衣味甘性涼, 能解毒利尿, 經(jīng)常服食對增強造血功能、強健骨骼等大有裨益[85]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明, 花色苷通過清除自由基, 具有明顯的抑制高血脂、動脈硬化等心血管病的效果[86]。徐金瑞[87]通過體外試驗證實, 黑豆皮中的花色苷具有顯著改善生物體內(nèi)脂質(zhì)代謝, 降低氧化應(yīng)激水平, 減少血管內(nèi)皮細胞的過氧化損傷,并具有間接舒張血管的作用。張繼曼[88]研究表明,黑豆紅花色苷還具有降低糖尿病小鼠高血糖的作用。綜上可知, 大豆種皮中的花色素可作為天然染料, 更具藥用價值。因此充分解析種皮色遺傳調(diào)控機制, 可依據(jù)多元化市場需求分子設(shè)計改良大豆種子顏色, 以期最大發(fā)揮大豆的價值。

4 結(jié)語與展望

歷經(jīng)100多年, 種皮及子葉色的遺傳規(guī)律基本明確[89], 相關(guān)位點、基因及互作機制也逐步被解析。遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)控制大豆種皮色的位點有I、R、T、O、W1、K1、G、D1、D2、CytG[21]。利用遺傳群體連鎖分析和自然群體的關(guān)聯(lián)分析, 獲得控制種皮色的分子標記位點30余個, 除K1、CytG其他8個經(jīng)典遺傳學(xué)位點均有與之連鎖的分子標記[41-42]。T位點的GmF3’H基因首個被克隆, 隨后通過圖位克隆、轉(zhuǎn)錄組和基因組重測序等方法, 相繼獲得其他9個位點的候選基因[61]。這些基因都與色素的代謝有關(guān),其中I、T、W1、O位點內(nèi)為類黃酮生物合成途徑關(guān)鍵酶基因,R和K1位點內(nèi)分別為類黃酮生物合成途徑酶基因的轉(zhuǎn)錄因子及調(diào)控基因,G、D1、D2、CytG位點內(nèi)為葉綠素調(diào)控基因。此外通過基因編輯及目標基因的差異表達分析發(fā)現(xiàn), 經(jīng)典遺傳位點外其他基因也有調(diào)控種皮色的功能, 如DCL2、CHI1A/2、F3H、DFR1/2、ANS2/3、UF3GT基因等[32,60,68]。這些基因的編碼產(chǎn)物均參與類黃酮合成途徑, 表明類黃酮代謝與種皮色密切相關(guān), 代謝產(chǎn)物含量與組成比例決定了種皮顏色。

縱覽種子顏色的遺傳調(diào)控研究歷史, 20世紀以經(jīng)典遺傳研究為主, 21世紀以分子調(diào)控機制及網(wǎng)絡(luò)解析為主。位點間互作、基因間的調(diào)控以及類黃酮代謝通路, 共同構(gòu)成種皮色調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[72]。此網(wǎng)絡(luò)包含的調(diào)控基因數(shù)目眾多, 調(diào)控機制復(fù)雜。不僅有傳統(tǒng)遺傳調(diào)控, 還有表觀遺傳調(diào)控。如I位點存在基因結(jié)構(gòu)變異, 同時存在RNA干涉現(xiàn)象[51,53]。此位點更是重要的馴化位點, 在進化過程中出現(xiàn)大片段反轉(zhuǎn)、重復(fù)插入等, 導(dǎo)致種皮色從黑到黃的變化[54]。T位點有等位基因的序列變化[62], 同時存在轉(zhuǎn)座子插入調(diào)控, 導(dǎo)致同株不同色現(xiàn)象[63]。R位點調(diào)控機制更為復(fù)雜, 有單堿基缺失、有轉(zhuǎn)座子插入、更有甲基化程度的改變[64]。由于受遺傳背景的影響, 同一個性狀如黃色的遺傳也不同, 既有顯性[26], 也有隱性[21]。I基因型時, 在G基因控制下綠色為顯性, 黃色為隱性[65]。此外G基因還有調(diào)控種子休眠的功能,在馴化過程中受到選擇[66]。由此可知調(diào)控種皮色的基因, 也有可能存在其他重要的未知功能。與種子顏色遺傳研究相比, 我國開展黑大豆的藥用功能研究更早, 距今已有千年歷史[85]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證實,黑豆皮中的花色苷具有促進脂類代謝良性循環(huán)、預(yù)防心腦血管疾病、降血糖等功能[86-88]。近年來, 由于生物染料具有安全健康等優(yōu)勢, 黑豆花色素也應(yīng)用于蠶絲等織物的染色[84]。研究表明深色大豆種子含有多種花色苷, 種質(zhì)資源間花色苷組分含量差異顯著, 抗氧化能力也不盡相同[90]。大豆中花色苷含量受多基因調(diào)控, 表現(xiàn)出數(shù)量性狀的遺傳特征。這與本文關(guān)于種子顏色遺傳調(diào)控歸納總結(jié)結(jié)果一致,目前已知近20個基因參與調(diào)控類黃酮代謝途徑。還需要進一步篩選挖掘調(diào)控種子顏色的結(jié)構(gòu)基因、轉(zhuǎn)錄因子等, 完善相關(guān)基因的功能和分子調(diào)控機制,補充繪制調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的發(fā)展以及研究的深入, 更多遺傳調(diào)控機制會被發(fā)現(xiàn), 不僅能進一步完善已有種子顏色的調(diào)控網(wǎng)絡(luò), 也可利用大數(shù)據(jù), 構(gòu)建新種子顏色的代謝網(wǎng)絡(luò)[91]。進而實現(xiàn)種子顏色的定向分子設(shè)計與改良, 創(chuàng)制出如黑子葉、紫種皮等更具藥用、營養(yǎng)價值的大豆, 為滿足多樣化消費需求提供科技支撐。