洋葱鳞茎颜色遗传与分子调控机制研究进展

徐宏志，刘冰江，任秀梅，王勇，吴雄，杨妍妍

（1.东北农业大学园艺园林学院，黑龙江 哈尔滨 150036；2.山东省农业科学院蔬菜研究所，山东 济南 250100；3.临沭县农业农村局，山东 临沭 276700）

洋葱（Allium cepa L.）又称玉葱、圆葱等，属于石蒜科葱属蔬菜［1］，以肥大的肉质鳞茎为食用器官，富含类黄酮、膳食纤维等营养成分，对人类心血管疾病、糖尿病和支气管哮喘有较好的辅助治疗作用，对癌症、高血压和高血脂也能起到良好的预防功效，具有较高的食用和药用价值［2］。鳞茎颜色是与洋葱营养价值和商品性直接相关的重要特征之一，也是洋葱的一个重要育种性状，既是为了满足消费者需求，也是因为植物色素与人类健康密切相关［3］。

洋葱属于二年生异花授粉植物，育种周期长，选育符合需求的不同皮色的品种非常困难。本文对影响洋葱鳞茎皮色形成的重要代谢物类黄酮的生物合成途径、调控鳞茎颜色机制以及类黄酮代谢途径中重要结构基因的分子标记进行了综述，以期为洋葱鳞茎皮色改良相关研究提供理论基础和依据，从而拓宽洋葱种质材料遗传背景，快速高效选育具有目标皮色的洋葱品种，有效地提高洋葱的营养价值和市场价值。

1 洋葱鳞茎不同皮色表型形成原因

鳞茎皮色是洋葱产品器官最显著的特征，有白色、黄色、金黄色、浅红色或红色，导致洋葱鳞茎出现不同颜色的自然产物主要为类黄酮化合物。类黄酮化合物的种类和积累水平不同，使得洋葱鳞茎形成了多种颜色表型［4］。类黄酮代谢涉及多种关键酶包括查尔酮合成酶（chalcone synthase，CHS）、查尔酮异构酶（chalcone isomerase，CHI）、黄烷酮3-羟化酶（flavanone 3-hydroxylase，F3H）、黄酮 醇合 成 酶（flavonol synthase，FLS）、二氢黄酮醇-4-还原酶（dihydroflavonol 4-reductase，DFR）、花青素合成酶（anthocyanidin synthase，ANS）等，这些酶相关基因的突变是造成鳞茎颜色变异的主要原因［5-10］。红皮洋葱富含花青素，淡黄皮洋葱富含黄酮醇，亮黄皮洋葱富含查尔酮。其中，黄酮醇含量在不同洋葱品种中变化很大，黄皮品种含量在270～1 187 mg·kg-1FW之间，红皮品种含量在415～1 917 mg·kg-1FW之间，而白皮品种鳞茎中黄酮醇含量非常少；花青素在红皮品种中含量较高，大约占总类黄酮含量的10%［11］。

2 环境因子对洋葱鳞茎类黄酮含量与颜色的影响

不同品种、不同发育阶段、不同环境条件下，洋葱鳞茎中的类黄酮化合物组成和含量不同。研究表明，环境因素对洋葱中槲皮素含量的影响比土壤类型和生长时期更大［12］，在恒温恒湿冷藏条件下，槲皮素糖苷在整个储藏期内均保持较高浓度［13］。收获时间对洋葱类黄酮含量有很大影响，洋葱生长期的大部分类黄酮合成发生在收获前的最后几周，收获后放在大田晾晒10 d左右，可显著提高洋葱可食部分的黄酮含量；栽培措施会影响洋葱鳞茎颜色和类黄酮含量，但土施氮肥对洋葱类黄酮水平的影响很小［14］。花色苷含量的季节变化表明，太阳照射和温度是影响花色苷积累的重要因素。干燥和炎热季节生长的洋葱类黄酮含量较高，而在空气和土壤温度低、土壤含水量高条件下生长的洋葱类黄酮含量较低［15］。贮藏过程中光照处理提高了洋葱中槲皮素的水平；经较低温度处理的红洋葱品种含有更多的花青素，外皮颜色更深，而在常温贮藏过程中洋葱花青素含量能降低63%～75%［16-18］。

3 洋葱鳞茎颜色的遗传模式

洋葱鳞茎颜色的遗传模式比较复杂，早期研究认为洋葱鳞茎颜色主要由I、C、G、L和R 5个基因位点控制［19-22］。其中，C为基本色素基因，对c为完全显性。当C位点是纯合隐性（cc）时，不管其他位点是什么基因型，鳞茎外皮都表现为白色，而至少需要一个显性的C等位基因鳞茎才表现为黄色或红色，这意味着该白色对黄色或红色是隐性的，称为隐性白色。在隐性白鳞茎中没有检测到槲皮素或花青素化合物。

I为颜色抑制基因，如果I位点的基因型是纯合显性的，那么无论其他位点如何，鳞茎的颜色都会变成白色；但当I位点基因型为杂合时，出现乳白色或浅黄色鳞茎。由于I位点赋予的白色相对于黄色和红色是显性的，这种类型的白色鳞茎颜色被称为显性白色。I位点的因果基因仍不清楚，只是被定位到3号染色体上［23］。

L和R位点与红色外皮相关，至少有一个显性基因存在时才会表现为红色，L和R位点都是纯合显性时鳞茎外皮表现为深红色；如果两个位点中的任何一个是隐性纯合，则不会出现红色鳞茎。Khar［24］和Duangjit［25］等发现了与L连锁的第二个位点（L2），在该位点上显性等位基因与R位点相互作用以调控鳞茎的红色。

G位点与黄色有关，iiC-G-的基因型为金黄色，纯合隐性基因型（iiC-gg）为黄色［19］。

4 类黄酮代谢关键基因与洋葱鳞茎颜色形成

4.1 结构基因

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径中起关键作用。研究发现DFR基因仅在红皮洋葱中表达，DFR-A基因缺失突变导致不能产生花青素而形成黄色鳞茎［26，27］。两个浅红色洋葱的DFR基因都是杂合的，表明红色对黄色的不完全显性。

大多数浅红色洋葱具有纯合隐性ANS基因，表明浅红色是由单个基因控制的隐性性状，ANS基因在浅红色色素沉着中起主要作用［28］。遗传分析表明，在源自黄色和深红色亲本的F3群体中，浅红色洋葱的ANS基因表达降低，且存在8个SNPs和10 bp的缺失，但进一步研究表明这些突变可能不会导致浅红色，顺式作用元件的突变可能是ANS基因表达减少的原因［29］。对来自两种洋葱的ANS基因启动子进行测序，在浅红色等位基因的启动子区域发现了390 bp的插入［27］，在ANS-P等位基因的启动子区插入了一个6 258 bp的非自主转座子［30］。

4.1.2 CHS和CHI CHS基因编码的查尔酮合成酶是类黄酮化合物代谢的第一个关键酶，CHI基因编码的查尔酮异构酶催化第二步反应。霍凤梅等［31］克隆了洋葱AcChsA基因启动子，通过瞬时表达验证了具有活性的AcChsA启动子。Kim等（2005）观察到从分离群体中选择的白皮洋葱中两个同源CHS基因（CHS-A和CHS-B）的转录显著降低，然而，CHS-B基因中的SNP标记并不与颜色表型共分离，并且CHS-A基因序列在分离群体中是单态的，推测控制CHS基因转录的一个调节基因可能会导致洋葱鳞茎呈现白皮［32］。

Kim等［33］从美国黄皮洋葱与巴西黄皮洋葱杂交的F3群体中发现了含有少量槲皮素的金黄色洋葱，对其CHI基因测序显示编码区提前出现终止密码子，造成CHI基因突变失活，而且所有金黄色F2群体中都发现了纯合CHI等位基因的突变，推测CHI基因突变失活导致了查尔酮衍生物的累积，最终使洋葱呈金黄色。

4.1.3 其他相关结构基因 UDP葡萄糖-类黄酮3-O-葡萄糖基转移酶（UDP-glycose flavonoid glycosyltransferase，UFGT）是花色素苷合成的最后一个酶，它可以将不稳定的花色素催化成花色素苷。与黄色鳞茎相比，隐性白洋葱鳞茎中所有结构基因的转录水平和UFGT的转录水平均显著降低［34］。类黄酮3′，5′-羟化酶（F3′5′H）在深红皮洋葱的生物合成中起重要作用，F3′5′H/F3′H的比值可能决定洋葱鳞茎颜色的多样性［35］。梁毅等［36-38］从洋葱鳞茎中克隆到花青素合成相关基因PAL、UFGT，其在红皮洋葱膨大初期大量表达，之后迅速降低至一定程度后趋于相对平稳表达，与花青素的积累过程相一致；但其在黄皮和白皮洋葱中表达量极低。

4.2 调节基因

类黄酮生物合成的主要调控点通常发生在转录水平，不同的转录因子和调节蛋白参与了类黄酮生物合成的调控。

4.2.1 MYB转录因子 MYB转录因子在类黄酮生物合成中起着重要的调节作用，是花青素合成的正调控因子［39，40］。Schwinn等从洋葱中分离到与类黄酮途径不同分支调控相关的R2R3-MYB转录因子，属于共同激活花青素或黄酮醇合成或抑制苯丙酮/类黄酮合成的亚群；其中，MYB1是花青素生物合成的正调控因子，瞬时过表达时可诱导花青素产生，而RNAi瞬时抑制时则通过减少色素沉着来调节花青素合成［41］。

4.2.2 bHLH转录因子 bHLH编码基因可调控植物花青素生物合成途径。Jo等［42］从洋葱中发现了编码bHLH转录因子的B2基因，在白色个体和F2、F3群体中转录水平显著降低；在该基因启动子区域的白色等位基因中发现一个577 bp的非自主DNA转座子（AcWHITE），但在红皮和黄皮洋葱中都没有AcWHITE插入，推测B2基因可能是C位点的一个因果基因，而且认为B2基因中这一非自主DNA转座子的转座是导致洋葱隐性白色鳞茎的原因。

5 颜色相关基因的定位与分子标记

关于洋葱重要农艺性状的分子标记研究，在细胞质和细胞核育性分子标记方面已经有相对比较成熟的标记应用于辅助育种工作［43-46］，但针对洋葱不同鳞茎颜色的功能标记相对较少。Kim等［7］根据ANS等位基因的插入突变设计了一种基于PCR的分子标记，该标记与F2群体的颜色表型完全共分离，可用于辅助选择ANS的多个等位基因。Kim等［5］从韩国和日本的黄皮洋葱育种材料中发现了两个新的DFR-A等位基因，利用DFR-APS等位基因启动子区域20 bp的简单重复序列缺失开发了一种基于PCR的分子标记，用来筛选黄皮洋葱材料；利用黄色DFR-A等位基因在3′区域大约800 bp的缺失开发出一个基于共显性PCR的标记，该标记与F2群体中的颜色表型完全分离。根据黄皮和红皮洋葱DFR基因2%的多态核苷酸序列设计了PCR-RFLP标记，在F2群体中与红色表型共分离［25］。

Baek等［34］报道的以GST编码基因为基础的GST1标记与C位点有较好的连锁关系，且因来自候选基因本身，不涉及重组，非常可靠，有望成为洋葱育种的有用工具，无需进行繁琐、费时的测交，就可在短时间内有效区分黄白色亲本杂交产生的纯合显性和杂合性黄色个体。Havey等［47］在黄褐色与黄皮洋葱杂交的F2群体中进行SNP基因分型，得到与G位点连锁的共显性SNP标记，这有助于将隐性黄褐色鳞茎颜色基因导入其他洋葱群体中，用于这种独特颜色洋葱的商业化生产。

6 结语

影响洋葱鳞茎皮色变异的遗传因素非常复杂，涉及多个基因及其相互作用。由于基因组庞大（16.3 Gbp）、生育期长、异花授粉、存在高度自交衰退现象，洋葱基因组学和遗传学研究非常困难［48，49］，因此关于洋葱鳞茎皮色的分子遗传学研究进展缓慢，几乎没有简单实用的可直接应用于洋葱皮色育种工作的分子标记。今后可以利用各种组学技术研究洋葱中类黄酮及其生物合成，进一步阐明洋葱鳞茎颜色发育的机制，分析不同颜色洋葱中结构基因和调控基因的差异表达。此外，基因编辑技术在精确利用洋葱类黄酮途径相关基因来定向改变鳞茎颜色方面也具有巨大的潜力。洋葱全基因组测序的初步完成［50］，使分析洋葱丰富的转录组成为可能，这将进一步推动洋葱鳞茎颜色形成的分子机制的揭示。