生菜研究进展综述

杨 攀，杨诗雯，李 磊，杨效曾

（1 北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心，北京海淀 100097；2 北京大学生命科学学院；3 福建农林大学生命科学学院；4 北京林业大学林学院）

1 生菜的起源及分类

生菜起源于欧洲地中海沿岸和西亚一带，经野生种驯化而来。公元前2500 年，埃及人开始种植生菜并发现其种子能够榨取食用油[1]。隋唐时传入我国，近年来种植面积迅速扩大，生菜也成为了普通百姓的家常蔬菜[2]。基于其生物学特征，生菜可分为6 大类：奶油生菜、结球生菜、散叶生菜、罗马生菜、莴笋和油用生菜。前4 种主要食用叶子，所以归为叶用生菜，莴笋主要食用其茎部，由多叶生菜经叶子变小、茎干加粗演化而来。油用生菜主要用于榨油，中国古代著作《肘后备急方》中有所记载[3]。经过多年的自然选择和人工培育，如今生菜品种繁多，已成为日常生活中最重要的蔬菜之一。现在我们所看到的所有生菜的品种都可归为以上6 大类。

2 生菜的价值

生菜营养价值高，富含蛋白质、纤维、酚类、糖类、黄酮等多种有机物，水分含量高达90%以上。此外，富含大量维生素C 和维生素E，常食对眼睛有保健作用，对皮肤有美白的功效。同时，生菜含有少量抗氧化物，能够分解食物中亚硝酸胺等致癌物质而被誉为“抗癌蔬菜”[4-5]。生菜属凉性蔬菜，茎叶中含有莴苣素，有利尿解毒的功效。生菜中含有一种叫原儿茶酸的物质在抑制胃癌和大肠癌方面效果极为显著[4]。生菜纤维含量较高，是高血压患者的优选蔬菜，常食能稳定血压，消除脂肪，所以生菜又被称为“减肥蔬菜”[4]。总之，生菜在食用和药用方面均具有较高的价值。

3 生菜的生物学特性

生菜喜冷凉环境，其生长受温度影响较大，耐热性较差，品种不同，生育期略有差异，大多为3～4 个月。种子耐低温能力强，在4℃时即可发芽。发芽适温为18℃～20℃，高于25℃，影响种皮吸水，发芽不良，温度持续高于30℃时抑制种子萌发。植株生长期间，喜冷凉气候，15℃～20℃时，植株生长迅速，为最佳生长温度，温度高于25℃，叶质粗老，食之略有苦味，叶片容易发生腐烂，生长较差。生菜耐寒性颇强，0℃甚至短期的零下低温对其生长也不会造成严重影响[4]。

4 生菜种子萌发研究进展

种子萌发受诸多环境因素影响，如温度、湿度、土壤条件等。生菜种子具有良好的耐低温能力，相反高温严重影响其萌发率。为了揭示高温抑制其萌发的分子机制，Bertier 等[6]利用基因编辑技术CRISPR/Cas9 敲除了高温下抑制生菜种子萌发的基因NCED4，深度测序结果显示：敲除突变体T2代有8%的植株发生了单位点突变，21%的植株2 个位点都发生了突变，与野生型相比，在37℃处理下，NCED4 突变体种子具有较高的萌发率。除了从分子层面揭示种子萌发机制外，适当的外源处理能够提高种子发芽率。近年来，科学家探究了外源激素及盐胁迫等对生菜种子萌发的影响。徐卫红等[7]揭示了不同浓度Na2CO3对生菜种子萌发的影响，研究表明Na2CO3浓度高于5mmol/L 时对生菜种子萌发具有显著的抑制作用。陈艳丽等[8]以意大利耐抽薹生菜种子为材料，探究了不同温度和生长调节剂对生菜种子萌发的影响，研究表明生菜种子催芽的最适温度为恒温17℃，用生长调节剂KNO3和赤霉素（GA3）浸种可以显著提高生菜种子的萌发。贾双双等[9]研究了生菜种子在NaCl 胁迫下的萌发情况。在种子萌发时，通过施加梯度浓度（0、50、100、150、200、250 mmol/L）Na-Cl 溶液，研究了生菜种子萌发时受NaCl 胁迫的影响。通过测定与种子萌发有关的指标（如种子的发芽势和发芽率等），发现生菜种子在NaCl 浓度不高于50 mmol/L 时，发芽势、相对萌发活力指数等各指标与对照组差异不显著，而叶绿素含量与根系活力却显著高于对照组，而后随着NaCl 浓度的升高，其对各指标的抑制强度显著增强。总之，研究表明生菜种子可耐50mmol/L 的NaCl 胁迫。

5 生菜组织培养研究进展

植物组织培养作为植物无性快速繁殖的重要技术，已被广泛应用。生菜花器官较小，使用常规杂交育种技术难度大，故通过组织培养技术能够加速其品种改良。但生菜品种繁多，不同基因型之间其遗传差异较大。Michelmore 等[10]于1987 年首次建立了散叶生菜的组织培养体系。随后，其他几种生菜的组培体系也被建立。那杰等[11]建立了结球生菜的组培体系，其核心是在MS 基本培养基中附加0.1～0.4 mg/L 的6-BA 和0.05～2.0mg/L 的IAA 作为愈伤组织诱导及芽分化的添加物，而最佳生根培养基为1/2MS 培养基。刘思言等[12]建立了美国绣球生菜和紫叶生菜的组培体系，其方法是以MS 基本培养基附加0.1mg/L 的NAA 和0.5mg/L的6-BA 为愈伤诱导及芽分化的最佳培养基，1/2MS培养基也是最佳生根培养基。邓莹等[13]探究了意大利生菜的组织培养体系，研究表明，当6-BA 浓度为0.5mg/L、NAA 浓度为0.2 mg/L 时，用7 天幼苗叶片作为外植体，愈伤组织出愈率可达100%，愈伤组织高度发生，无褐化、玻璃化现象的发生，是愈伤组织诱导的最适培养基，最佳生根培养基是MS 基本培养基中附加0.25mg/L 6-BA 和0.2mg/L NAA。总之，经过不断的完善和优化，到目前为止，生菜组织培养体系已经相当完善和成熟。

6 生菜基因组研究进展

近年来，得益于高通量测序技术的快速发展和应用，许多物种已进行了全基因组测序和组装。利用该技术，Reyes-Chin-Wo 等[14]对生菜的基因组进行了测序和组装。生菜是二倍体，有2n=2x=18 条染色体，基因组大小约2.5Gb。生菜基因组采用全基因组鸟枪法和Chicago 技术以构建大的super-scaffolds，这些super-scaffolds 通过遗传图谱定位到9 条假染色体上。同时确定了几个可能有助于植物发育相关的基因组特征，包括编码类似Cycloidea 转录因子的基因，激酶和参与胶乳生物合成的酶和抗病有关的蛋白。其次，在生菜中鉴定到了21 种新型microRNA，其中1 种可以作用于许多激酶转录物触发phasiRNA。继生菜基因组被测定后，Zhang 等[15]又对240 种生菜进行了转录组测序，产生了110 万单核苷酸多态性（SNP），全基因组鉴定出5311 个表达数量性状基因座（eQTL），4105 个基因，包括9 个参与调节黄酮类生物合成相关基因的e-QTL。通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定到6 个与叶色有关的候选基因座，这些基因座调控生菜叶片花青素的变异。以上两大研究成果在生菜研究史上具有里程碑的意义，为日后生菜分子育种工作奠定了重要基础。

7 生菜花序研究进展

植物生长包括营养生长和生殖生长，花芽的出现是植物进入生殖生长的标志，研究植物花器官结构及其发育的分子机制具有重要意义。生菜多数是头状花序，在茎枝顶端排成圆锥花序，头状花序小，舌状小花黄色，约15 枚[16]。开花是被子植物有性繁殖的重要环节，其受到许多基因的协同调控，是一个复杂而有序的生物学过程。生菜作为叶用蔬菜，高温胁迫会加速其提早抽薹开花而失去食用价值和经济价值。Chen 等[17]对生菜的花芽发育过程进行了研究，将生菜花芽的发育分为8 个阶段。第1 阶段（萌发后20d）：顶端分生组织平坦，无凸起。第2 阶段（萌发后28d）：顶端分生组织呈圆顶形。第3 阶段（萌发后35d）：顶端分生组织呈细长，标志着从营养生长到生殖生长的过渡。第4 阶段（萌发后45d）：花序分生组织突出了总苞原基。第5 阶段（萌发后55d）：以头状原基的出现为特征。第6 阶段（萌发后75d）：产生越来越多的头状原基，并且顶部头状花序开始分化为小花原基。第7 阶段（萌发后85d）：一排小花蕾的形成。第8 阶段（萌发后95d）：位于每个小花蕾基部的胚珠开始发育，并开始产生种子。

8 生菜抽薹的分子机制研究进展

生菜喜冷凉环境，高温会导致其提早抽薹开花而失去营养价值和食用价值。近年来，由于全球变暖，生菜产量受到严重影响[17-18]，所以研究其抽薹的分子机制具有重要的应用价值。基于此，Chen 等[18]对适温和高温下生长的生菜进行了转录组测序分析，挖掘出了生菜中响应高温的基因LsSOC1，敲除该基因能够明显延缓抽薹而且对高温不敏感。此外，其发现LsFT 也是与抽薹和响应高温有关的基因，敲除LsFT 基因后观察到生菜抽薹推迟，并且失去对高温的敏感性。接着，Ning等[19]以生菜不同时期的花蕾和花器官为材料做了转录组测序，挖掘出了LsMADS 是一个与开花有关的基因，过表达LsMADS 基因导致生菜提早开花。除了从基因组中挖掘调控开花基因外，Hao 等[20]对正常温度（20℃）生长下生菜的茎和高温（33℃）诱导抽薹期间生菜的茎进行了比较蛋白质组学分析，并且使用qRT-PCR 和蛋白质印迹对分析结果进行了生物学验证。在5454 种鉴定的蛋白中，相对于对照组，619 种蛋白呈现出由高温诱导的差异丰度，其中345 种具有增加的丰度，274 种具有减少的丰度，具有丰度水平变化的蛋白主要富集在与光合作用相关的途径和参与生长素（IAA）生物合成的色氨酸代谢途径，而且，在具有不同丰度的蛋白中，与光合作用和色氨酸代谢相关的蛋白丰度增加。研究表明，高温增强了光合作用和IAA生物合成的功能，促进了抽薹过程，这与IAA 代谢的生理学和转录水平一致。其研究工作对高温诱导的生菜抽薹的分子机制有了新的理解，对日后生菜分子育种工作具有潜在的重要意义。

9 转基因生菜研究进展

自生菜遗传转化体系建立以来，以农杆菌介导的叶盘法为主要途径的生菜转基因工作取得了众多进展。通过转基因生菜生产疫苗和药用蛋白是近年来的研究热点，生菜因生长周期短，可生食等特点可作为良好的植物反应器。Ersiniapestis 是一种引起结肠和肺鼠疫的病原体，目前急需开发针对这种疾病有效且低成本的口服疫苗。为了解决这一问题，Rosalesmendoza 等[21]将来自鼠疫杆菌的免疫原性融合蛋白F1-V 通过农杆菌介导的转化方式导入到生菜中，并得到了稳定遗传的转基因品系，实现了此疫苗快速而廉价的生产。此外，邓小莉等[22]将蹄疫抗原决定簇融合基因HBcAg 转入生菜，实现了蹄疫抗原的快速生产。另一方面，通过转基因手段提高生菜中与抗逆有关基因的表达，从而增强生菜对不良环境的适应性。研究表明过表达拟南芥ABF3 基因提高了生菜抗旱和耐低温能力[23]。尤丽佳等[24]将拟南芥Atpsy 基因导入生菜，结果表明在干旱胁迫下，转基因生菜发芽率以及光合作用速率明显高于野生型。Darqui 等[25]将番茄Snakin-1 基因导入生菜，提高了生菜抗立枯丝核（Rhizoctonia solani）和菌核（Sclerotinia）的能力。Kim 等[26]在生菜中过表达拟南芥HSP17.8 基因，结果表明，通过调节ABA 介导的信号传导途径能够提高生菜的抗盐和耐旱能力。近年来，CRISPR/Cas9 基因编辑技术已成功应用于许多物种，但其在生菜中报道很少，禹明森等[27]在生菜中应用了此技术并检测到目标靶位点发生编辑，说明其在生菜中成功地建立了CRISPR/Cas9 基因编辑体系，该技术的成功应用将为日后生菜基因功能研究及分子育种奠定了重要基础。

10 问题和展望

生菜作为目前最为重要的叶用蔬菜之一，在种植过程中因在冷凉环境下生长，很少或较少喷施农药而被视为无公害蔬菜，故需求量急剧增加。此外，生菜的药用价值也非同寻常。如今，癌症已成为严重威胁人类健康的杀手之一，抗癌物的提取和抗癌药的研发极为迫切，而生菜中含有的原儿茶酸对癌细胞有良好的抑制作用。所以，无论是食用还是药用，大力发展生菜产业均具有重要意义。然而，与发达国家相比，我国生菜产业发展中还面临着诸多不足，比如，还不能有效控制高温环境下生菜发生的病虫害，进而导致产量普遍较低。生菜作为设施园艺作物，种植主要在大棚中完成，冬季和夏季严重供应不足的问题依然存在。高温下易抽薹、叶片易腐烂、茎叶机械化程度不高、接触时叶片易碎烂、采摘后难储存等问题依然很突出，所以，以上存在的问题依然需要科研工作者们不断的努力，从而推动生菜产业的快速发展。