苏乐平 姚晓华 吴昆仑 杨雪 田昊人 黄书晴

摘要：青稞是我国青藏高原的主要粮食作物，也是我国藏族同胞的主要口粮。近几年来，由于有色青稞含有丰富的花青素、纤维素、糖类、蛋白质等，得到了人们的喜爱和学者们的关注。本文从有色青稞籽粒颜色的划分、植物花青素的生物学功能及合成调控、有色大麦（青稞）粒色基因的定位3个主要方面简述了有色大麦（青稞）的研究进展，并提出了展望，为人们进一步认识和利用有色大麦（青稞）提供参考，也为青稞粒色基因的定位和相关基因克隆提供依据，期望随着研究的深入，能够培育出优异的有色大麦（青稞）新品种。

关键词：大麦（青稞）;粒色;花青素;基因定位

中图分类号： S512.303.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）18-0070-05

收稿日期：2019-03-12

基金项目：国家大麦产业技术体系（编号：CARS-05）;国家自然科学基金（编号：31660388）;青海省科技厅应用基础研究项目（编号：2019-ZJ-7075）。

作者简介：苏乐平（1994—），男，陕西渭南人，硕士研究生，主要从事青稞遗传育种研究。E-mail：sltp2015@163.com。

通信作者：吴昆仑，博士，研究员，主要从事青稞遗传育种研究，E-mail：wklqaaf@163.com;姚晓华，硕士，副研究员，主要从事青稞遗传育种研究，E-mail：yaoxiaohua009@126.com。

随着我国改革开放的进行和经济的飞速发展，人们的生活水平得到了明显的提高。在饮食方面，人们追求更健康、更营养的饮食。青稞是十分有营养的粮食作物，它具有降“三高”（高血脂、高血压、高血糖）、促消化、增强体质等功能，前人将这些功能总结为“三高两低”，所以近年来青稞及相关食品越发受到人们的欢迎[1-2]。有色青稞是一类珍贵的青稞种质资源，主要包括黑青稞、紫青稞、蓝青稞等[3-5]。有色大麦（青稞）富含天然色素，其花色苷、酚类化合物、人体必需氨基酸和微量元素等营养保健成分含量普遍高于普通大麦（青稞），具有特殊的生理功能，不仅是生产营养保健品的上好原料，也是食品加工业纯天然的添加剂。其中含有的天然色素是化妆品行业防晒霜和染发剂等产品的无公害染料[6]。因此，挖掘调控青稞籽粒颜色的基因，是培育有色青稞品种的基础。本文综述了近几年有色大麦（青稞）的籽粒颜色划分、植物花青素（anthocyanidin）生物学功能及合成调控、有色大麦（青稞）粒色基因的定位等研究进展，为后期有色青稞基因定位与克隆和新品种的选育提供参考。

1 青稞及有色青稞的概述和籽粒颜色的划分

1.1 青稞及有色青稞的概述

青稞（Hordeum vulgare L. var. nudum Hook. f.）属于禾本科大麦属，外稃顶端的芒呈三叉状;籽粒与稃片已脱离，故称裸大麦[7]。青稞的遗传背景与大麦高度相似，通过高寒缺氧环境的自然选择，己成为青藏高原最主要的农作物[8-9]，是我国藏族同胞的主要口粮，主要分布在青藏高原、滇西北高原、甘南高原、川西部高原等4 200～5 000 m海拔的高寒缺氧地区[10-11]。

有色青稞是成熟时具有不同颜色的青稞籽粒，富含花色素、酚类化合物、蛋白质、人体必需氨基酸和微量元素等营养保健成分，尤其是黑青稞，其营养成分普遍高于普通青稞，因此有色青稞作为功能食品的开发越来越受到重视[12-14]。驯化对于大麦（青稞）品种的多样性具有比较重要的意义，青藏高原是青稞的驯化地，青稞种质资源极其丰富，黑色、紫色和蓝色等深色青稞（下文中称有色青稞）又是其中最为珍贵的种质资源[4]。

1.2 青稞籽粒颜色的划分

大麦颜色的划分有多种方法，Jia等发现，大麦的籽粒颜色一般指大麦颖果的颜色，是由色素沉积在果皮和糊粉层中形成的[15]。由于有色青稞籽粒具有多种多样的颜色，国外也有多种评判准则，主要可以分为黄、白、蓝、紫、黑5种颜色，外种皮含有原花青素的籽粒为黄色[16];在颖片和果皮中含有花色苷的籽粒为紫（红）色;在颖片或果皮中含有黑色素的籽粒为黑色;在谷物的糊粉层中含有花色素的籽粒为蓝色[17];在外种皮、颖片、糊粉层等组织中不含任何生物色素的籽粒为白色[18]。在国内，徐廷文等将西藏山南地区大麦籽粒的颜色概括为白、蓝、紫和黑4种颜色[19]。青稞和大麦同属于麦属，与大麦的亲缘关系十分近，所以大麦粒色划分的标准同样适用于有色青稞的分类。

对于大麦籽粒颜色的研究，一直是国内外研究的热点。Himi等的研究发现，有色大麦籽粒颜色与植物花青素的合成有着十分重要的关系[20-24]。

2 植物花青素的生物学功能及合成调控基因在大麦（青稞）籽粒颜色形成过程中的作用

2.1 植物花青素的生物學功能

花青素又称花色苷，是普遍存在于植物体内的一类次生代谢物质。天然花色素母体的糖苷配基的A环基本结构为3，5，7-三羟基-2-苯基苯并吡喃，其结构式如图1所示，母体糖苷配基中B环的类型主要决定花青素的类型。A环与不同类型的B环共同组成植物中重要的6种花青素，即天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药花色素、矮牵牛花色素和锦葵色素（图2）[24-26]。花青素是一种水溶性色素，可以随着细胞液的酸碱性变化改变颜色。细胞液呈酸性时则偏红，细胞液呈碱性时则偏蓝[27]。花青素的理化性质并不稳定，所有还有很多因子影响花青素的显色，如细胞程序性凋亡以及各种逆境[28]。花青素广泛分布在植物体营养器官表皮层以及生殖器官的细胞中，由于花青素的表达具有时空差异，故其在植物中呈现出多种颜色[29-30]。

花青素的生物学功能一直是科学家关注的热点。花青素构成植物生活史的重要部分，帮助虫媒植物吸引昆虫进行传粉完成生活史[31]。花青素由于其结构上的特征，可以保护植物免受一些逆境胁迫所产生的活性氧的伤害，以及一些过渡金属的毒害和UV-B对植物的损害[18，28-29，32]。研究表明，花青素具有抗血小板聚集、抗氧化和抗炎等特性，不仅可以清除细胞中的自由基，而且还具有结合重金属如铁、锌和铜的功能[29，32-36]。人们从食物中摄入的花青素能够降低心脑血管疾病、高血脂、关节炎和癌症的发病率[37-39]。此外，花青素还在抵制病原微生物以及虫害的侵袭和有益微生物与植物共生等方面起着重要的作用[40-45]。

2.2 花青素合成及调控基因在大麦（青稞）籽粒颜色形成过程中的作用

目前，关于花青素合成途径已经研究得比较清楚，前人研究表明，花青素为类黄酮代谢的最终产物，花青素在植物中的合成主要发生在内质网膜上，是由一系列基因调控合成的（图3），主要包括结构基因、调节基因和转运子基因[21，45-49]。其中，结构基因包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄烷酮3-羟化酶（F3H）、黄酮3′-羟化酶（F3′H）、类黄酮3′，5′-羟化酶（F3′5′H）、二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR）、花青素还原酶（ANR）、黄酮醇合成酶（FLS）、無色花色素双加氧酶、花青素合成酶（LDOX/ANS）等;调节基因包括R2R3-MYB、WD40和MYC家族的bHLH等[33，45-57];转运子基因包括谷胱甘肽转移酶（glutathione S-transferases，简称GST）或者多药和有毒化合物排出家族（multidrug and toxic compound extrusion，简称MATE）[45]。

花青素的代谢途径主要有3个：花青素产生途径、原花青素产生途径和鞣红（鞣酐）产生途径，这3个途径与紫粒、蓝粒、红粒、黄粒、黑粒大麦的形成有关。花青素产生途径：前人对花青素产生途径的研究已经十分清晰，莽草酸途径产物苯丙氨酸在多种酶和转录因子的参与下合成了花青素[20-21，31，46-49，55-57]。紫粒、蓝粒、红粒大麦的形成主要是由此途径产生的。研究表明，在大麦籽粒中花青素积累在糊粉层就形成了蓝粒大麦，花青素积累在籽粒的果皮和颖片中形成了紫粒、红粒大麦[21，23]。原花青素（proanthocyanidins）主要是由3个途径产生的。（1）在形成无色花青素（leucoanthocyanidins）后在无色花色素双加氧酶/花青素合成酶（LDOX/ANS）的催化下形成黄烷-3-醇（flavan-3-ols），即儿茶素、儿茶酚（catechins），儿茶酚经过一系列的缩合反应形成原花青素[16，52];（2）在形成无色花青素后直接在花青素还原酶（ANR）的作用下生成原花青素[16，52];（3）在形成3-OH-花色苷（3-OH-anthocyanidins）后在花青素还原酶（ANR）催化下形成表儿茶素（epicatechin），在缩合酶（CE）的作用下形成原花青素，在大麦籽粒中，当原花青素积累在外种皮中，就产生了黄粒大麦[21]。鞣红（phlobaphenes）或者鞣酐产生途径：黑粒大麦的形成机制比较复杂，此通路中可能存在4种途径。（1）在莽草酸途径中主要形成的咖啡酸（caffeic acid）和阿魏酸（ferulic acid）与青稞黑色素的形成有关;（2）在形成4，5，7-三羟基黄烷酮（naringenin）后，在二氧黄酮醇-4-还原酶（DFR）的作用下，被还原成黄烷-4-醇（flavan-4-ols），再在一系列的转化下形成鞣红（phlobaphenes），也叫鞣酸[21，52];（3）在形成无色花青素后在无色花色素双加氧酶/花青素合成酶（LDOX/ANS）的催化下形成黄烷-3-醇（flavan-3-ols），即儿茶素， 也称儿茶酚，而儿茶酚缩合形成鞣酐（phlobaphenes）[52];（4）这是比较重要的一种通路，在形成3-OH-花色苷（3-OH-anthocyanidins）后在花青素还原酶（ANR）催化下形成表儿茶素，在缩合酶（CE）的作用下形成原花青素，在多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）的作用下形成被氧化的原花青素，它使植物的种子呈现棕色[45]。推测当鞣红或者鞣酐积累在颖片或果皮中，就产生了黑粒大麦[17]。

杨希娟等报道，不同粒色青稞中的酚类化合物主要以酚酸的形式存在，其中结合酚是有色青稞酚酸的主要存在形式，黑色青稞具有较高的酚类化合物含量[58]。杜道坤等报道，鞣质主要是由多酚类化合物组成的，此处生成的鞣质可能为缩合型鞣质[12，59-60]。Shoeva等报道，黑粒大麦粒色的形成与黄酮类化合物无关，与酚醛类化合物的聚合和氧化产物有关，它是一种无规则的高分子聚合物[21]。鞣质的分子量为500～3 000 u，是能沉淀生物碱、蛋白质的水溶性多酚类化合物[61]，它是羟基黄烷类单体的缩合物[59]。所以，本文推测鞣红或鞣酐在大麦籽粒的糊粉层和胚乳中的积累与黑色大麦的形成有关。

3 有色大麦（青稞）粒色基因的定位研究进展

将作物群体按照其子代性状的遗传稳定的特征，可分为短暂性子代群体，如BC1、BC2、F2、F3等，以及永久性子代群体，如RI、DH、NILs等[62-63]。

分子标记技术属于低通量测序的一种技术，主要分为随机引物的标记，如随机扩增多态性DNA（RAPD）、简单重复序列区间（ISSR）等;限定引物的标记，如简单重复序列（SSR）、序列标签位点（STS）等[64]。对此国内外有许多研究，在国外Shoeva等选用紫色、黑色和无色大麦（青稞）的NILs（近等基因系）群体用微卫星基因分型技术将大麦的紫粒基因（HvPLP）定位到1H染色体上，将黑粒基因（HvBLP）定位到2H染色体上[21]。Jia等选用大麦（青稞）的黑粒和紫粒的F2、F3群体，将大麦（青稞）黑粒基因定位在1HL染色体上，将紫粒基因（HvPRE2）分别定位到2H、1H染色体上，并且验证得出大麦黑粒属于质量性状[15]。Jia等提出特异位点扩增片段分离群体分组分析法测序（SLAF-seq-BSA）方法在识别候选区域和发现特定靶向基因组区域的多态标记方面比较有优势，将控制黑色大麦（青稞）外稃和/或果皮的HvBLP1基因定位在1号染色体的1.66 Mb以内[65]。笔者所在课题组的Yao等利用涅如姆扎（紫粒）与昆仑10号（白粒）杂交构建DH（203个株系），测量亲本和子代的籽粒颜色;使用基因型分型测序（GBS-seq）技术构建高密度遗传图谱，定位到6个与青稞紫粒相关的数量性状座位（QTL），对区段内的基因进行基因注释，并筛选出了候选基因[22]。Zong等分析白粒小麦和紫粒小麦中TaMYC1的序列差异，该基因在白粒和紫粒小麦的启动子序列中重复次数不一致，所以导致了小麦粒色的差异[66]。Jiang等对于黑小麦76个不同时期及处理的紫色与白色果皮样品进行了转录组测序，发掘出TaPpm1与TaPpb1候选基因作为黑小麦籽粒颜色花青素调控的候选基因[67]。

4 展望

對于大麦籽粒颜色的相关研究一直是国内外比较热门的方向，但是将高通量测序技术[68]与大麦籽粒颜色耦合起来的研究相对较少，青稞也存在这样的问题。目前，青稞的品种选育方法仍然是以常规的杂交育种为主，随着分子生物学技术的发展，分子标记育种也逐渐融入到青稞新品种选育的过程中。但是限制性片段长度多态性（RFLP）、RAPD、扩增片段长度多态性（AFLP）、SSR[69]、ISSR等传统的分子标记技术得到的遗传图谱不够精细且定位到的候选基因区段过大，因此可以采用特异性位点扩增片段测序（SLAF-seq）、转录组测序（RNA-seq）、GBS-seq等高通量的测序技术来深度挖掘青稞籽粒颜色相关基因。另外，可以利用挖掘的控制籽粒颜色的基因与基因编辑技术CRISPR结合起来，直接进行基因编辑产生新的作物品种。

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