Instability of anthocyanin accumulation in Vitis vinifera L. var. Gamay Freaux suspension cultures

The inherent instability of metabolite production in plant cell culture-based bioprocessing is a major problem hindering its commercialization. To understand the extent and causes of this instability, this study was aimed at understanding the variability of anthocyanin accumulation during long-term subcultures, as well as within subculture batches, in Vitis vinifera cell cultures. Therefore, four cell line suspensions of Vitis vinitera L. var. Gamay Freaux, A, B, C and D, originated from the same callus by cell-aggregate cloning, were established with starting anthocyanin contents of 2.73 +/- 0.15, 1.45 +/- 0.04, 0.77 +/- 0.024 and 0.27 +/- 0.04 CV (Color Value)/g-FCW (fresh cell weight), respectively. During weekly subculturing of 33 batches over 8 months, the anthocyanin biosynthetic capacity was gradually lost at various rates, for all four cell lines, regardless of the significant difference in the starting anthocyanin content. Contrary to this general trend, a significant fluctuation in the anthocyanin content was observed, but with an irregular cyclic pattern. The variabilities in the anthocyanin content between the subcultures for the 33 batches, as represented by the variation coefficient (VC), were 58, 57, 54, and 84% for V vinifera cell lines A, B, C and D, respectively. Within one subculture, the VCs from 12 replicate flasks for each of 12 independent subcultures were averaged, and found to be 9.7%, ranging from 4 to 17%. High- and low-producing cell lines, VV05 and VV06, with 1.8-fold differences in their basal anthocyanin contents, exhibited different inducibilities to L-phenylalanine feeding, methyl jasmonate and light irradiation. The low-producing cell line, showed greater potential in enhanced the anthocyanin production.

葡萄属植物系统学研究

葡萄属（Vitis.L.）植物隶属于葡萄科(Vitaceae)，主要分布于北温带，最南可以分布到南美洲的委内瑞拉和亚洲的越南以及印度北部。本文通过对该属分类研究历史的回顾，认为该属存在的问题主要表现在如下几个方面： 1）葡萄属自1753 年由Carl Linne创立以来，虽经planchon于1887年做了修订，但属的范围仍需进一步界定;2）在Planchon之后的100多年中未见有一全面的分类学修订工作，出现在该属的800多个名称需要考证;3）对一些广布种的变异认识不足，导致了大量可疑种。针对这些问题本文进行了如下几个方面的工作： l、形态学：通过大量的野外工作和标本观察，对该属植物的主要性状做了分析，讨论了这些性状状态在葡萄属中的变异规律及演化趋势，将灌木状习性、退化的卷须以及不裂的叶片视为进化的性状。 2、细胞学：利用前人对葡萄属(Vitis.L.)染色体数目的统计及一些杂交实验分析的结果，结合形态学等方面的特征分析，认为在葡萄科，染色体基数X=10为原始的，而x=19则为衍生的。葡萄属的染色体基数xl9(2n=38)，多倍体较少见;麝香葡萄属[Muscadinia (Planch.) Sma11]的染色体基数为x=10 (2n=20)．与蛇葡萄属、酸蔹藤属和爬山虎属的一致。葡萄属和麝香葡萄属间的杂种是不育的。 3、孢粉学：对葡萄属32种5变种及麝香葡萄属[Muscadinia (Planch.) Sma11]1种的花粉外壁做扫描电镜观察，结果发现花粉外壁雕纹在这两属间和葡萄属内变异较小，对区分属以及属下种上类群意义不大，但对种的鉴别有重要的价值。 4、植物化学：前人对植物化学的工作表明，植物的一些次生代谢产物如类黄酮化合物在葡萄科各类群中的分布规律较好地反映了各类群间的关系。这些结果较好地支持了Planchon对葡萄属范围的界定。 5、山葡萄复合体(V.amurensis complex)包括山葡萄(V.amurensis Rupr.)、燕山葡萄(V.amuresis Rupr. var. dissecta Skvorts.=var.yanshanensisD．Z．Lu et H．P．Liang)、百花山葡萄(V.baihuashanensis M．S．Kang et D．Z．Lu)、复叶葡萄(V.piasezkii Maxim.)、少毛复叶葡萄[V. piasezkii Maxux1．var. pagnuccii (Planch.) Rehd.]共3个种和2个变种，广泛分布于中国北方，形态变异较大。本文对该复合体做了形态分析，并用RAPD (Random Amplified Polymorphic DNAs)分子标记方法分析了这几个类群的关系。综合这些结果，归并了燕山葡萄和百花山葡萄。 在上述工作的基础上，我们得出了如下的结论： l、葡萄属在葡萄科中是一个进化的类群。整理后的葡萄属包括8系62种、l亚种和15变种，其中有2个新系、1个新组合系、2个新变种、1个新组合种和l3个新异名。 2、本文赞同SmaU在1903年作出的分类学处理，把麝香葡萄作为一个独立的属，比葡萄属原始但与葡萄属有着最近的亲缘关系。 3、依据形态特征和APD分析结果把山葡萄复合体的3个种2变种归并为2种l变种，即山葡萄、复叶葡萄和少毛复叶葡萄，认为分子标记技术在分析属内近缘种闻关系上很有价值。 4、葡萄属具有东亚和北美2个现代分布中心，该属可能起源于北美的东部，在晚白垩纪经白令陆桥散布至欧亚大陆。

新疆（吐鲁番）若干重要遗址植物考古学研究

植物考古学（Archaeobotany）是植物学与考古学的交叉生长点，主要借助植物学的研究理念和方法来研究与先民相生相伴的植物遗存，探讨古代先民的生活方式，解释人类文明的发展过程。新疆的许多重要遗址处于环境干燥的荒漠戈壁地区。大量植物遗存在特殊的气候环境中保存完好，为我们考证当地先民对植物的认识和利用历程提供了宝贵的材料。 本研究对对吐鲁番洋海墓地以及和田山普拉墓地出土的部份植物遗存进行了细致深入的研究。研究内容主要如下： 1）对吐鲁番洋海墓地出土的2300年前的葡萄藤进行了解剖学验证，并证明了该葡萄藤应属于栽培葡萄（Vitis vinifera L.）。研究结果改写了农学及史学界传统认为我国葡萄栽培始于张骞出使西域之后的说法，并将我国最早栽培葡萄的时间向前提了200年左右。 2）对吐鲁番洋海墓地出土的大量刺山柑（Capparis spinosa L.）种子进行了形态学及解剖学研究。刺山柑种子与大麻果实、小枝条及破碎的叶片贮存于陶罐中，二者均有药用价值。根据物以类聚的原则，我们认为2800年前的古洋海人已经认识并利用刺山柑的药用价值。这是在我国，也是中亚地区东部首次发现的刺山柑植物遗存。 3）新疆洛甫山普拉墓地有三串薏苡总苞制成的项链出土。我们对出土的薏苡遗存进行了形态学研究，发现其来自于薏苡的原变种（Coix lacryma-jobi var. lacryma-jobi L.）。上述现象说明，古代山普拉先民已经认识并使用薏苡的装饰价值。并且，当地的薏苡文化可能伴随佛教文化从印度传入中国。 我们对上述重要遗址中的植物遗存进行了精细研究，并从植物学的角度证明了新疆自古就是东西方文明的交汇点，为考古学及历史学研究提供了佐证;充分认识了古代先民对植物的认识和利用方式，发扬了我国源远流长的民族文化;积极发挥植物学研究的优势，充份利用了植物形态学，解剖学及分类学的理念和方法来研究植物遗存，推动了我国植物考古学的发展。

水母雪莲DFR基因的克隆及其正义和反义植物表达载体的构建

水母雪莲（Saussurea medusa Maxim.）为多年生菊科植物，是我国珍稀药用资源。所含的主要生物活性成分是黄酮类物质，具有抗炎、镇痛、免疫抑制及抗氧化等功效。但由于水母雪莲生长环境特殊，生长缓慢，人工引种困难;加上长期掠夺性采挖，造成其野生药用资源短缺，已经不能满足市场的需求。近年来,世界上掀起了植物药开发的热潮,植物药以其天然低毒的特点倍受关注,而黄酮类化合物更是以其广谱的药理作用引人瞩目。 黄酮类化合物的合成代谢途径在植物界进化过程中很保守，黄酮类生物合成途径中的相关酶也已得到确证并进行了系统的研究。二氢黄酮醇-4-还原酶（Dihydroflavonol-4-reductase, DFR）是一个处于花色素或者原花色素合成途径中的关键酶，它与黄酮合成途径中的黄酮醇合成酶（flavonol synthase）竞争底物。本研究以水母雪莲为研究对象，根据近缘物种DFR基因的保守核苷酸序列设计兼并引物，通过PCR技术，从已经建立的水母雪莲红色愈伤组织cDNA文库中筛选到一个编码该酶的cDNA序列，该序列全长1166个碱基对。根据生物信息学分析，此cDNA编码342个氨基酸;Blastp分析结果显示，该氨基酸序列与同科植物翠菊（Callistephus chinensis）的相似性最高，达87%;SWISSMODEL软件预测其蛋白的三级结构与葡萄(Vitis vinifera)的十分相似，活性中心的关键氨基酸残基也完全一致。据此可以断定，我们所得到的cDNA为编码二氢黄酮醇还原酶的基因，并命名为水母雪莲二氢黄酮醇还原酶基因(SmDFR）。为了得到SmDFR的DNA序列，我们又设计特异引物，从水母雪莲的基因组中扩增出了由1871个碱基对组成的DNA序列，该序列包含五个内含子和六个外显子。 为了提高水母雪莲和大苞雪莲中黄酮类物质的含量，我们构建了SmDFR的反义植物表达载体，利用根癌农杆菌介导进行基因转化。通过改变影响农杆菌转化的实验条件包括外植体来源、农杆菌菌株、细菌浓度、外植体预培养时间、侵染时间和乙酰丁香酮的浓度进行转基因试验，目前尚未得到转基因植株。另外，我们构建了SmDFR正义植物表达载体，通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana) DFR基因突变体和矮牵牛(Petunia hybrida)进行基因转化，来验证SmDFR的功能;目前，此实验尚在进行之中。

葡萄杂种实生苗糖酸品质童期鉴定的初步研究

对山葡萄(Vitis amurensis)杂交的F1、F2、F3杂种后代中，果实搪、酸含量不同的实生苗叶片，进行了Vc、VB1Vpp的分析测定，并对这些植株的叶片、卷须、一年生技条扦插芽和种子播出的幼苗分别进行了过氧化物酶同功酶的聚丙烯酰胺(PO-lyacrylamide)垂直平板电泳分析。实脸结果表明:在三代的实生苗中，Vc、VB1、Vpp的含量与含糖量均呈正相关，Vc和Vpp与含酸量负相关，VB1与含酸量呈正相关，Vc与Vpp呈正相关.Vc含量低的实生苗易受冻而导致萌芽推迟，Vc在果实潜色期间呈动态变化，着色期早的Vc含量降低，正处在着色期的Vc含量最低，着色晚的Vc含量就高。叶片中Vc、Vpp含量可作为实生苗含量筛选的参考指标。 而且发现，在实生苗幼龄阶段，通过过氧化物酶同功酶能够从品质上进行单株分离与筛选。一年生枝条的扦插芽以及生长季节的卷须和叶片为材料的分离筛选效果相对稍差。F1实生苗中，抗寒、含糖量高的单株表达出双亲的酶带;F2品贡优良的单株从表达出亲本中含糖童截的酶潜并且酶带数目相对少些的单株中产生;F3品质优良的单株则从酶谱复杂、杂种谱带较多的单株产生;品质性状较劣，同功酶表现出相反的结果。这为育种工作中果实品质性状的童期鉴定提供了参考依据。在实际鉴定工作上，最好有几种方法，几种酶的功酶联合使用。

葡萄属种子发育、形态和休眠萌发特征的多样性

选取葡萄属不同类群及其杂交后代的21个品种，通过种子发育物候、种子形态、种皮透水性、种胚外围组织机械阻碍、离体胚萌发及外源激素的作用、种子萌发抑制物、层积解除休眠的温度效应、休眠解除过程中种胚的形态变化，以及模拟土壤种子库四季温度交替变化对种子休眠和萌发性状的影响等系列比较实验，发现葡萄属种子发育物候特征、成熟种子形态特征和休眠特性等具有类群特征，存在种类间多样性，并确定种子休眠类型均为生理性休眠，但休眠程度差异很大，由浅到深的顺序是：欧山杂种、蘡欧杂种、欧亚种、山葡萄、欧美杂种、美洲种，与美洲种亲缘关系越近，休眠越深，杂交种比亲本种类休眠程度低。种子休眠程度与果实和种子发育周期的长短、种子成熟时的环境温度、种子大小和千粒重等无关;与果实成熟期和种子成熟期之间的时间跨度有关，跨度越短，休眠越深。冷层积能够有效解除欧亚种、山葡萄以及欧山杂种的种子休眠，但对美洲种和欧美杂种效果较差;变温层积能部分解除欧亚种、山葡萄、欧山杂种、蘡欧杂种种子的休眠，但对其他种类无效;暖层积对所有种类无效。解除休眠的有效方式与遗传背景有一定的相关性。

葡萄果皮花色苷构成特点、遗传规律及其在果实成熟过程中的变化

通过利用高效液相色谱-质谱联用技术，研究110 个不同基因型（包括3 个种和5 个种间杂种）葡萄品种的花色苷含量和成分特点。在所有品种中，最多鉴定出29 种花色苷。对葡萄的花色苷总量来说，一般情况下，欧亚种和欧美杂交种的花色苷含量较低，而野生种和砧木品种显著高于其它的种间杂种；在同一个种内，酿酒品种高于鲜食品种；在大多数高花色苷含量的种质中，二甲基花翠素类花色苷是主要的花色苷，而在低总花色苷量的品种，花青素类和花翠素类花色苷是主要的成分。此外，在欧亚种葡萄中，仅检测到单糖苷类花色苷，而在其它葡萄种质中，既有单糖苷花色苷又有双糖苷花色苷。在欧亚鲜食葡萄中，Pn-3-glucoside 是主要的花色苷，而在欧亚酿酒葡萄中，Mv-3-glucoside 是主要的花色苷。通过主成分分析，最终根据花色苷总量的不同和单、双糖苷含量的不同，110 个品种在散点图中被明显的分成3 部分。 通过连续两年调查3 个欧亚鲜食葡萄杂交组合的亲本和后代的花色苷含量来分析花色苷的遗传特点。共鉴定出16 种花色苷，且均为单糖苷类。母本中各花色苷的比例决定了后代中花色苷含量的比例，但是后代中花色苷的绝对含量不受亲本影响。不论亲本还是后代中，Peonidin 3-O-glucoside 和Malvidin3-O-glucoside 都是含量最高的花色苷。花色苷的有或无是寡基因控制的质量性状，而含量的多少是多基因控制的数量性状。通过主成分分析可以得知：在杂交后代中， peonidin 3-O-glucoside, malvidin 3-O-glucoside, delphinidin3-O-glucoside, cyanidin 3-O-glucoside, petunidin 3-O-glucoside, peonidin3-O-(6-O-coumaryl)-glucoside 和malvidin 3-O-(6-O-coumaryl)-glucoside 是影响果皮中花色苷总量的主要种类。花色苷的含量是一种高广义遗传力的性状，而且这种性状在两年间是稳定的（0.65-0.98）。 5 个不同基因型葡萄品种在成熟过程中果实品质的变化也被研究。始熟期开始后，果粒重量继续增加，果粒较大的鲜食品种增长很慢，而果粒较小的制汁和酿酒品种增长幅度很大；果实内两种主要的糖（葡萄糖和果糖）开始快速上升，且在整个成熟过程中保持1：1；有机酸的含量开始快速下降，苹果酸下降的幅度大于酒石酸。多酚物质在果实始熟期也发生巨大变化，花色苷快速积累。 ‘北紫’和‘梅鹿辄’中的花色苷在成熟前1-2 周达到最大值，‘黑奥林’、‘康可’和‘北醇’在整个成熟过程中花色苷一直增加；对非花色苷类多酚来说，‘黑奥林’和‘梅鹿辄’在果实成熟过程中一直增加，而在另3 个品种中是下降的；花色苷之间以及与黄酮醇之间成正相关，花色苷和酚酸成负相关关系，酚酸和黄酮醇也成负相关关系，黄烷醇物质之间以及与其它类黄酮物质之间成负相关关系。