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这篇综述聚焦谷物糊粉层（aleurone layer），全面介绍其发育过程、遗传调控机制，探讨环境因素对其影响，阐述在育种中的应用，分析面临的挑战并提出解决策略，为谷物品质改良提供了多方面的理论依据和实践指导。
谷物糊粉层的重要地位
谷物作为人类热量和必需营养素的重要来源，在饮食结构中占据关键位置。流行病学研究表明，全谷物的摄入有助于降低心血管疾病、胃肠道癌症和 2 型糖尿病等疾病的风险，还能辅助调节体重。然而，全球范围内精制谷物产品消费的增加，却可能引发一系列健康问题，因为全谷物相比精制谷物含有更丰富的营养成分。
谷物籽粒主要由胚乳、胚以及周围的母体组织构成，其中糊粉层位于胚乳的最外层。在谷物加工过程中，胚、母体组织以及糊粉层会被去除，而糊粉层富含蛋白质、脂质、矿物质和维生素等多种营养物质，是全谷物产品营养优势的重要基础。因此，对糊粉层相关性状的研究和调控，有望成为培育高营养密度谷物品种的有效途径。
糊粉层的生物学特性
糊粉层是多数被子植物种子特有的组织，由胚乳细胞的外层细胞构成。在种子发育过程中，糊粉层细胞始终保持完整，并且是成熟干燥种子中唯一具有活力的胚乳细胞类型。与富含淀粉的内部胚乳细胞不同，糊粉层细胞富含蛋白质、脂质、维生素、矿物质和膳食纤维，其细胞结构和生化特性都具有独特性。在种子萌发时，糊粉层能够响应胚释放的赤霉素（GA），分泌水解酶，降解胚乳中的储存物质，为种子萌发和幼苗生长提供能量和营养。此外，糊粉层还参与种子休眠的调控，其中合成的脱落酸（ABA）被认为是诱导种子休眠的关键因素。同时，糊粉层作为种子的外周屏障，能够抵御病原体的入侵，保护内部的胚乳细胞。
糊粉层的发育过程
在多数被子植物中，双受精后会形成多核胚乳，经过核分裂和细胞化过程，逐渐形成多层细胞的胚乳。胚乳外层细胞的分裂模式与内部细胞不同，外层细胞主要进行垂周和平周分裂，而内部细胞的分裂平面则较为随机。在细胞化完成后，胚乳最外层的细胞会分化为糊粉层细胞。不同谷物的糊粉层在形态上存在差异，例如玉米和小麦的成熟籽粒通常只有一层糊粉层细胞，大麦则有三层，而水稻糊粉层的厚度在种子的不同部位有所不同，背侧比腹侧更厚。此外，一些谷物还存在修饰糊粉层细胞，其细胞学特征和表达程序与典型糊粉层细胞不同。
糊粉层发育的可塑性
糊粉层的发育会受到外界环境因素的显著影响。研究发现，水稻背侧糊粉层厚度（DAT）与抽穗天数呈显著负相关，这表明光周期可能对糊粉层发育产生影响。同时，温度也起着重要作用，高温环境下种植的水稻，其 DAT 会增加，并且种子中糊粉层富集的营养物质，如蛋白质、脂质和矿物质的含量也会提高。相反，低温胁迫会使小麦糊粉层的蛋白质含量增加。此外，氮肥水平、大气 CO2浓度等环境因素也会对糊粉层的发育和营养成分积累产生影响。
糊粉层细胞命运的决定因素
细胞位置是决定糊粉层细胞命运的关键因素。只有胚乳最外层的细胞能够分化为糊粉层细胞，而其内部的子细胞则会分化为淀粉胚乳细胞。通过对玉米胚乳细胞的体外培养实验发现，细胞位置的改变可以导致糊粉层细胞和淀粉胚乳细胞相互转化。例如，内部化的糊粉层细胞会转变为淀粉胚乳细胞，而位于表面的淀粉胚乳细胞则会转变为糊粉层细胞。此外，对玉米连体籽粒的分析也进一步证实了细胞位置在糊粉层分化中的重要作用。然而，目前对于决定糊粉层细胞命运的位置信号的具体来源仍不明确，有研究认为可能来自胚乳内部，但也有研究表明矿物质积累等因素可能与位置信号有关，并且位置信号可能也来源于母体组织。
糊粉层细胞分化和分裂的遗传调控
糊粉层的发育受到遗传因素的主导调控。不同物种的糊粉层细胞层数存在差异，例如水稻粳稻品种的 DAT 通常大于籼稻品种，玉米部分热带地方品种具有多层糊粉层（MAL）的特征。通过对水稻 DAT 变异的连锁分析发现，至少有三个稳定的数量性状位点（QTLs）参与调控，其中一个与水稻开花调节因子 Hd6 和 Hd16 共定位，这解释了 DAT 与抽穗天数之间的负相关关系。对玉米 MAL 性状的研究表明，该性状主要由 8 号染色体上的一个位点决定，同时还有几个次要位点参与，且这些位点的遗传方式更倾向于加性遗传。
此外，通过对玉米糊粉层相关突变体的研究，发现了许多调控糊粉层分化和分裂的基因。例如，dek1、cr4 和 nkd 等突变体表现出糊粉层缺失或异常的表型，表明这些基因在糊粉层分化中起正向调控作用；而 sal1、thk1 等突变体则发育出多层糊粉层，说明存在负向调控糊粉层分化的基因。同时，dil1、dil2、elo2 等突变体影响糊粉层细胞的分裂，导致细胞排列紊乱，这表明糊粉层细胞命运的决定和增殖是相对独立的过程，但也有一些基因，如 XCL1 和 GLO1，在这两个过程中都发挥作用。
糊粉层细胞命运决定的分子调控网络
在过去的三十年里，多个与糊粉层相关的基因被鉴定出来，揭示了糊粉层发育调控网络在谷物中的保守性。CR4 作为一种潜在的受体，可能感知尚未明确的位置信号，从而决定糊粉层细胞的命运。其在水稻中的同源蛋白 OsCR4 与 OsCIP1 相互作用，有助于稳定 OsCR4 在细胞膜上的定位，但 OsCIP1 本身并不决定细胞命运。DEK1 是一种质膜靶向蛋白，其胞外结构域和胞内的钙蛋白酶（CALP）结构域在糊粉层细胞命运决定中发挥重要作用。研究推测 DEK1 可能通过与细胞外的位置信号和其他配体相互作用，激活胞内的钙蛋白酶活性，进而传递细胞命运编程的信号。SAL1 作为糊粉层细胞命运决定的负调控因子，可能通过内体介导的降解途径控制 DEK1 和 CR4 在质膜上的浓度。
转录调控在糊粉层细胞命运决定中也起着关键作用。例如，玉米 nkd 突变体中糊粉层缺陷是由 NKD1 和 NKD2 这两个编码不定域（IDD）转录因子的基因作用导致的。NKDs 能够转录激活 Opaque2 和 Viviparous1（VP1）等基因，其中 VP1 基因在玉米和水稻的糊粉层和胚中特异性表达，暗示其在糊粉层发育中的作用。此外，DNA 结合单指（DOF）家族转录因子对 NKD1 和 NKD2 的表达具有调控作用，在水稻中，敲低 RPBF（ZmDof3 的同源基因）会导致种子中出现多层糊粉层细胞。
表观遗传修饰为糊粉层发育提供了额外的调控层面。DNA 甲基化和组蛋白修饰等表观遗传标记在种子发育过程中会发生动态重编程。水稻 ROS1a 基因的突变会导致一系列生殖缺陷，但弱等位基因的 ta2 突变体却能产生具有多层糊粉层的可育种子，这是由于 RPBF 和 RISBZ1 基因启动子区域的 DNA 甲基化水平增加，导致基因表达下调，从而促进了糊粉层的分化。另外，水稻 Fertilization Independent Endosperm1（OsFIE1）基因的缺陷会导致种子背侧糊粉层增厚，这与三甲基化组蛋白 H3 赖氨酸 27（H3K27me3）修饰的减少有关，表明 PRC2 介导的 H3K27me3 修饰对水稻糊粉层发育至关重要。
激素对糊粉层发育的调控
植物激素在种子发育过程中起着关键的调控作用，对糊粉层的分化、成熟和萌发过程中的程序性细胞死亡也至关重要，但其具体作用机制尚未完全明确。细胞分裂素和生长素可能参与糊粉层细胞的分化过程。研究发现，在玉米中表达细胞分裂素合成基因 IPT 会抑制糊粉层的分化，而应用生长素转运抑制剂 NPA 则能诱导形成多层糊粉层，这表明生长素可能对糊粉层命运决定具有正向影响。此外，在玉米 nkd1,2 双突变体中，生长素响应基因显著上调，且一些生长素合成和信号转导基因在糊粉层中特异性表达，进一步暗示了生长素在糊粉层发育中的作用。然而，部分种子特异性的 YUCCA 基因似乎与糊粉层发育无关，因此生长素对糊粉层发育的影响及机制仍需进一步研究。
ABA 和 GA 在糊粉层发育中也发挥着重要作用。玉米 VP8 缺陷会导致 ABA 水平降低和糊粉层细胞的垂周扩展受抑制，虽然其他 ABA 缺陷突变体未表现出类似表型，但这仍表明 ABA 在糊粉层发育中的重要性。GA 是诱导糊粉层细胞在萌发过程中液泡化所必需的激素，水稻 osfie1 突变体产生的糊粉层细胞层数增多且液泡极大，推测是由于 GA 的过度积累所致。然而，GA 对野生型水稻糊粉层厚度的影响有限，说明 GA 虽然是糊粉层分化所必需的，但并非充分条件，其具体机制还需深入探究。
糊粉层相关性状的潜在应用
糊粉层相关性状在多个领域具有潜在的应用价值。在遗传研究方面，玉米糊粉层细胞中花青素的积累为研究基因的遗传行为提供了独特的遗传系统，并且在转座子、基因印记和副突变等重要概念的发现中发挥了重要作用。同时，谷物糊粉层也是研究植物激素信号转导的优秀模型。
从实际应用角度来看，具有较厚糊粉层的谷物对消费者更有益，因为其种子的营养密度更高。例如，具有 MAL 性状的玉米地方品种，其总蛋白质、氨基酸、花青素、铁和锌等营养成分的含量更高；水稻中，将 ta1 等位基因导入品种后，育成的黑米品系中蛋白质、脂质、膳食纤维、维生素和矿物质等营养因子的含量显著提高，且产量不受影响。此外，大麦的多层糊粉层能够产生更多的淀粉酶，有助于在麦芽制造过程中将淀粉转化为可发酵糖，提高麦芽质量。因此，增强糊粉层的相关性状有望改善谷物的加工品质，拓展其在食品工业中的应用。
另一方面，减少种子中糊粉层细胞的数量可能会增加淀粉胚乳的比例。据估计，小麦糊粉层约占麦粒重量的 6.5%，如果种植无糊粉层的小麦，在不影响产量的情况下，可额外生产大量碳水化合物。而且，由于脂质主要积累在糊粉层中，无或较少糊粉层细胞的谷物可能具有更长的保质期。因此，根据育种目标和谷物的最终用途，薄糊粉层性状也可能对谷物改良具有重要意义。
面临的挑战及潜在解决方案
在糊粉层相关性状改良过程中，面临着诸多挑战。首先是表型分析的困难，传统的基于切片和染色的方法耗时耗力，而三维和非破坏性技术虽然具有高分辨率的优势，但设备昂贵且通量较低，限制了其在大规模育种筛选中的应用。近红外反射光谱技术虽具有快速、非破坏性的特点，在预测高粱全谷物果皮厚度方面展现出潜力，但在糊粉层相关性状表型分析中的应用仍有待进一步探索。
其次，在水稻和小麦等物种中鉴定糊粉层突变体存在困难，这阻碍了对糊粉层发育调控网络的深入理解，也限制了利用现代育种技术，如转基因育种、分子设计和基因编辑来改良糊粉层相关性状。将传统和靶向诱变种子优先表达基因的方法与新型表型分析技术相结合，可能有助于鉴定植物中新的糊粉层调控因子。例如，一些大麦品种的糊粉层因花青素积累而呈现蓝色，这一表型在分离新的糊粉层调控因子方面具有潜在价值。
此外，目前已知的许多糊粉层调控因子由于基因的多效性，在改良糊粉层相关性状的同时，会导致生长迟缓、胚缺陷和粉质胚乳等不良表型，使得它们在实际应用中效果不佳。利用糊粉层特异性启动子来特异性调控基因表达，或基于 CRISPR 技术对启动子或顺式作用元件进行编辑，有望解决这一问题。同时，利用自然变异选育具有优良糊粉层相关性状的新品种也是一种可行的策略，因为已有研究表明糊粉层厚度在谷物中具有较高的遗传力。通过连锁分析或关联分析克隆控制糊粉层发育的 QTLs，结合标记辅助选择，能够提高选择效率，减少育种过程中的人力投入。
另外，糊粉层中除了含有丰富的营养元素外，还富集了一些有毒元素，如砷和镉，以及抗营养物质，如植酸，这对食用富含糊粉层的全谷物可能带来潜在的健康风险。因此，在育种过程中，需要避免多层糊粉层带来的这些问题。研究发现，增加水稻糊粉层厚度可以显著提高锌含量，同时降低有毒镉的积累，这表明增加糊粉层厚度并不一定会导致种子中有毒矿物质的过度积累。通过传统育种或更先进的技术，聚合最优的基因或等位基因，有望培育出更健康的谷物品种。
最后，利用糊粉层相关性状培育改良谷物的许多概念尚未经过严格评估，目前还不清楚操纵糊粉层性状是否会影响种子发育和最终产量。例如，缺乏糊粉层的种子可能会出现萌发缺陷，而具有增厚糊粉层的种子在外观、碾磨和烹饪品质方面是否存在补偿机制，以及如何打破目标糊粉层性状与不良性状之间的连锁等问题，都需要进一步研究。对这些问题的深入探究将为谷物育种提供坚实的理论基础，最终推动谷物品质改良的发展，造福人类健康。
