生菜研究進展綜述

楊攀 楊詩雯

摘? ? 要：生菜（Lactuca sativa L.）為全球消費量最大的葉用蔬菜之一，屬菊科萵苣屬，多為綠色，包括散葉生菜、奶油生菜、結球生菜等，在世界大多地區被廣泛種植。生菜因病蟲害為害幾率低、農藥殘留少等特征，滿足了目前大眾對無公害蔬菜的需求而深受大眾喜愛。近年來，我國對生菜需求量急劇增加，種植面積也不斷擴大，故生菜研究工作也得到了快速推進。本研究從生菜的起源、分類、生物學特性、組織培養、基因組學和轉基因研究等方面進行了綜述。

關鍵詞：生菜;價值;分類;組織培養;基因轉基因;研究進展

1? ?生菜的起源及分類

生菜起源于歐洲地中海沿岸和西亞一帶，經野生種馴化而來。公元前2500年，埃及人開始種植生菜并發現其種子能夠榨取食用油[1]。隋唐時傳入我國，近年來種植面積迅速擴大，生菜也成為了普通百姓的家常蔬菜[2]?；谄渖飳W特征，生菜可分為6大類：奶油生菜、結球生菜、散葉生菜、羅馬生菜、萵筍和油用生菜。前4種主要食用葉子，所以歸為葉用生菜，萵筍主要食用其莖部，由多葉生菜經葉子變小、莖干加粗演化而來。油用生菜主要用于榨油，中國古代著作《肘后備急方》中有所記載[3]。經過多年的自然選擇和人工培育，如今生菜品種繁多，已成為日常生活中最重要的蔬菜之一?，F在我們所看到的所有生菜的品種都可歸為以上6大類。

2? ?生菜的價值

生菜營養價值高，富含蛋白質、纖維、酚類、糖類、黃酮等多種有機物，水分含量高達90%以上。此外，富含大量維生素C和維生素E，常食對眼睛有保健作用，對皮膚有美白的功效。同時，生菜含有少量抗氧化物，能夠分解食物中亞硝酸胺等致癌物質而被譽為“抗癌蔬菜”[4-5]。生菜屬涼性蔬菜，莖葉中含有萵苣素，有利尿解毒的功效。生菜中含有一種叫原兒茶酸的物質在抑制胃癌和大腸癌方面效果極為顯著[4]。生菜纖維含量較高，是高血壓患者的優選蔬菜，常食能穩定血壓，消除脂肪，所以生菜又被稱為“減肥蔬菜”[4]?？傊?，生菜在食用和藥用方面均具有較高的價值。

3? ?生菜的生物學特性

生菜喜冷涼環境，其生長受溫度影響較大，耐熱性較差，品種不同，生育期略有差異，大多為3～4個月。種子耐低溫能力強，在4℃時即可發芽。發芽適溫為18℃～20℃，高于25℃，影響種皮吸水，發芽不良，溫度持續高于30℃時抑制種子萌發。植株生長期間，喜冷涼氣候，15℃～20℃時，植株生長迅速，為最佳生長溫度，溫度高于25℃，葉質粗老，食之略有苦味，葉片容易發生腐爛，生長較差。生菜耐寒性頗強，0℃甚至短期的零下低溫對其生長也不會造成嚴重影響[4]。

4? ?生菜種子萌發研究進展

種子萌發受諸多環境因素影響，如溫度、濕度、土壤條件等。生菜種子具有良好的耐低溫能力，相反高溫嚴重影響其萌發率。為了揭示高溫抑制其萌發的分子機制，Bertier等[6]利用基因編輯技術CRISPR/Cas9敲除了高溫下抑制生菜種子萌發的基因NCED4，深度測序結果顯示：敲除突變體T2代有8%的植株發生了單位點突變，21%的植株2個位點都發生了突變，與野生型相比，在37℃處理下，NCED4突變體種子具有較高的萌發率。除了從分子層面揭示種子萌發機制外，適當的外源處理能夠提高種子發芽率。近年來，科學家探究了外源激素及鹽脅迫等對生菜種子萌發的影響。徐衛紅等[7]揭示了不同濃度Na2CO3對生菜種子萌發的影響，研究表明Na2CO3濃度高于5mmol/L時對生菜種子萌發具有顯著的抑制作用。陳艷麗等[8]以意大利耐抽薹生菜種子為材料，探究了不同溫度和生長調節劑對生菜種子萌發的影響，研究表明生菜種子催芽的最適溫度為恒溫17℃，用生長調節劑KNO3和赤霉素（GA3）浸種可以顯著提高生菜種子的萌發。賈雙雙等[9]研究了生菜種子在NaCl脅迫下的萌發情況。在種子萌發時，通過施加梯度濃度（0、50、100、150、200、250 mmol/L）NaCl溶液，研究了生菜種子萌發時受NaCl脅迫的影響。通過測定與種子萌發有關的指標（如種子的發芽勢和發芽率等），發現生菜種子在NaCl濃度不高于50 mmol/L時，發芽勢、相對萌發活力指數等各指標與對照組差異不顯著，而葉綠素含量與根系活力卻顯著高于對照組，而后隨著NaCl濃度的升高，其對各指標的抑制強度顯著增強?？傊?，研究表明生菜種子可耐50mmol/L的NaCl脅迫。

5? ? ?生菜組織培養研究進展

植物組織培養作為植物無性快速繁殖的重要技術，已被廣泛應用。生菜花器官較小，使用常規雜交育種技術難度大，故通過組織培養技術能夠加速其品種改良。但生菜品種繁多，不同基因型之間其遺傳差異較大。Michelmore等[10]于1987年首次建立了散葉生菜的組織培養體系。隨后，其他幾種生菜的組培體系也被建立。那杰等[11]建立了結球生菜的組培體系，其核心是在MS基本培養基中附加0.1～0.4 mg/L的6-BA和0.05～2.0mg/L的IAA作為愈傷組織誘導及芽分化的添加物，而最佳生根培養基為1/2MS培養基。劉思言等[12]建立了美國繡球生菜和紫葉生菜的組培體系，其方法是以MS基本培養基附加0.1mg/L的NAA和0.5mg/L的6-BA為愈傷誘導及芽分化的最佳培養基，1/2MS培養基也是最佳生根培養基。鄧瑩等[13]探究了意大利生菜的組織培養體系，研究表明，當6-BA濃度為0.5mg/L、NAA濃度為0.2 mg/L時，用7天幼苗葉片作為外植體，愈傷組織出愈率可達100%，愈傷組織高度發生，無褐化、玻璃化現象的發生，是愈傷組織誘導的最適培養基，最佳生根培養基是MS基本培養基中附加0.25mg/L 6-BA和0.2mg/L NAA?？傊?，經過不斷的完善和優化，到目前為止，生菜組織培養體系已經相當完善和成熟。

6? ? ?生菜基因組研究進展

近年來，得益于高通量測序技術的快速發展和應用，許多物種已進行了全基因組測序和組裝。利用該技術，Reyes-Chin-Wo等[14]對生菜的基因組進行了測序和組裝。生菜是二倍體，有2n=2x=18條染色體，基因組大小約2.5Gb。生菜基因組采用全基因組鳥槍法和Chicago技術以構建大的super-scaffolds，這些super-scaffolds通過遺傳圖譜定位到9條假染色體上。同時確定了幾個可能有助于植物發育相關的基因組特征，包括編碼類似Cycloidea轉錄因子的基因，激酶和參與膠乳生物合成的酶和抗病有關的蛋白。其次，在生菜中鑒定到了21種新型microRNA，其中1種可以作用于許多激酶轉錄物觸發phasiRNA。繼生菜基因組被測定后，Zhang等[15]又對240種生菜進行了轉錄組測序，產生了110萬單核苷酸多態性（SNP），全基因組鑒定出5311個表達數量性狀基因座（eQTL），4105個基因，包括9個參與調節黃酮類生物合成相關基因的eQTL。通過全基因組關聯分析（GWAS）鑒定到6個與葉色有關的候選基因座，這些基因座調控生菜葉片花青素的變異。以上兩大研究成果在生菜研究史上具有里程碑的意義，為日后生菜分子育種工作奠定了重要基礎。

7? ?生菜花序研究進展

植物生長包括營養生長和生殖生長，花芽的出現是植物進入生殖生長的標志，研究植物花器官結構及其發育的分子機制具有重要意義。生菜多數是頭狀花序，在莖枝頂端排成圓錐花序，頭狀花序小，舌狀小花黃色，約15枚[16]。開花是被子植物有性繁殖的重要環節，其受到許多基因的協同調控，是一個復雜而有序的生物學過程。生菜作為葉用蔬菜，高溫脅迫會加速其提早抽薹開花而失去食用價值和經濟價值。Chen等[17]對生菜的花芽發育過程進行了研究，將生菜花芽的發育分為8個階段。第1階段（萌發后20d）：頂端分生組織平坦，無凸起。第2階段（萌發后28d）：頂端分生組織呈圓頂形。第3階段（萌發后35d）：頂端分生組織呈細長，標志著從營養生長到生殖生長的過渡。第4階段（萌發后45d）：花序分生組織突出了總苞原基。第5階段（萌發后55d）：以頭狀原基的出現為特征。第6階段（萌發后75d）：產生越來越多的頭狀原基，并且頂部頭狀花序開始分化為小花原基。第7階段（萌發后85d）：一排小花蕾的形成。第8階段（萌發后95d）：位于每個小花蕾基部的胚珠開始發育，并開始產生種子。

8? ?生菜抽薹的分子機制研究進展

生菜喜冷涼環境，高溫會導致其提早抽薹開花而失去營養價值和食用價值。近年來，由于全球變暖，生菜產量受到嚴重影響[17-18]，所以研究其抽薹的分子機制具有重要的應用價值?；诖?，Chen等[18]對適溫和高溫下生長的生菜進行了轉錄組測序分析，挖掘出了生菜中響應高溫的基因LsSOC1，敲除該基因能夠明顯延緩抽薹而且對高溫不敏感。此外，其發現LsFT也是與抽薹和響應高溫有關的基因，敲除LsFT基因后觀察到生菜抽薹推遲，并且失去對高溫的敏感性。接著，Ning等[19]以生菜不同時期的花蕾和花器官為材料做了轉錄組測序，挖掘出了LsMADS是一個與開花有關的基因，過表達LsMADS基因導致生菜提早開花。除了從基因組中挖掘調控開花基因外，Hao等[20]對正常溫度（20℃）生長下生菜的莖和高溫（33℃）誘導抽薹期間生菜的莖進行了比較蛋白質組學分析，并且使用qRT-PCR和蛋白質印跡對分析結果進行了生物學驗證。在5454種鑒定的蛋白中，相對于對照組，619種蛋白呈現出由高溫誘導的差異豐度，其中345種具有增加的豐度，274種具有減少的豐度，具有豐度水平變化的蛋白主要富集在與光合作用相關的途徑和參與生長素（IAA）生物合成的色氨酸代謝途徑，而且，在具有不同豐度的蛋白中，與光合作用和色氨酸代謝相關的蛋白豐度增加。研究表明，高溫增強了光合作用和IAA生物合成的功能，促進了抽薹過程，這與IAA代謝的生理學和轉錄水平一致。其研究工作對高溫誘導的生菜抽薹的分子機制有了新的理解，對日后生菜分子育種工作具有潛在的重要意義。

9? ?轉基因生菜研究進展

自生菜遺傳轉化體系建立以來，以農桿菌介導的葉盤法為主要途徑的生菜轉基因工作取得了眾多進展。通過轉基因生菜生產疫苗和藥用蛋白是近年來的研究熱點，生菜因生長周期短，可生食等特點可作為良好的植物反應器。Ersiniapestis是一種引起結腸和肺鼠疫的病原體，目前急需開發針對這種疾病有效且低成本的口服疫苗。為了解決這一問題，Rosalesmendoza等[21]將來自鼠疫桿菌的免疫原性融合蛋白F1-V通過農桿菌介導的轉化方式導入到生菜中，并得到了穩定遺傳的轉基因品系，實現了此疫苗快速而廉價的生產。此外，鄧小莉等[22]將蹄疫抗原決定簇融合基因HBcAg轉入生菜，實現了蹄疫抗原的快速生產。另一方面，通過轉基因手段提高生菜中與抗逆有關基因的表達，從而增強生菜對不良環境的適應性。研究表明過表達擬南芥ABF3基因提高了生菜抗旱和耐低溫能力[23]。尤麗佳等[24]將擬南芥Atpsy基因導入生菜，結果表明在干旱脅迫下，轉基因生菜發芽率以及光合作用速率明顯高于野生型。Darqui等[25]將番茄Snakin-1基因導入生菜，提高了生菜抗立枯絲核（Rhizoctonia solani）和菌核（Sclerotinia）的能力。Kim等[26]在生菜中過表達擬南芥HSP17.8基因，結果表明，通過調節ABA介導的信號傳導途徑能夠提高生菜的抗鹽和耐旱能力。近年來，CRISPR/Cas9基因編輯技術已成功應用于許多物種，但其在生菜中報道很少，禹明森等[27]在生菜中應用了此技術并檢測到目標靶位點發生編輯，說明其在生菜中成功地建立了CRISPR/Cas9基因編輯體系，該技術的成功應用將為日后生菜基因功能研究及分子育種奠定了重要基礎。

[20]HAO J H，ZHANG L L，LI P P，et al.Quantitative proteomics analysis of lettuce （Lactuca sativa L） reveals molecular basis-associated auxin and photosynthesis with bolting induced by high temperature[J].International Journal of Molecular Sciences，2018，19（10）.

[21]Rosalesmendoza S，Soriaguerra R E，Morenofierros L，et al.Expression of an immunogenic F1-V fusion protein in lettuce as a plant-based vaccine against plague[J].Planta，2010，232（2）：409-416.

[22]鄧小莉，李慧.生菜遺傳轉化體系的建立及口蹄疫抗原決定簇融合基因的導入[J].平原大學學報[J].2006，23（2）：120-123.

[23] VANJILDORJ E，BAE T W，RIU K Z，et al.Overexpression of Arabidopsis ABF3 gene enhances tolerance to drought and cold in transgenic lettuce （lactuca sativa）[J].Plant Cell Tissue and Organ Culture，2005，83（1）：41-50.

[24]尤麗佳，郭新波，付雪晴，等.干旱脅迫對轉擬南芥Atpsy基因生菜的影響[J].上海農業學報，2014，30（05）：38-43.

[25]DARQUI F S，RADONIC L M，TROTZ P M，et al. Potato snakin-1 gene enhances tolerance to Rhizoctonia solani and Sclerotinia sclerotiorum in transgenic lettuce plants[J].J Biotechnol，2018，283：62-69.

[26]KIM D H，XU Z H，WANG I.Athsp17.8 overexpression in transgenic lettuce gives rise to dehydration and salt stress resistance phenotypes through modulation of ABA-mediated signaling[J].Plant Cell Reports，2013，32（12）：1953-1963.

[27]禹明森，李翔，高馬也，等.生菜CRISPR/Cas9基因編輯體系的建立[J].植物生理學報，2017，53（04）：736-746.

第一作者簡介：楊攀，碩士研究生在讀，研究方向：植物非編碼 RNA 的功能研究。

第二 作者簡介：楊詩雯，碩士研究生在讀，研究方向：植物同化物運輸及植物非編碼RNA的功能研究。