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鹰嘴豆种子贮藏蛋白、活性成分以及优异基因的发掘
0.00     定价 ¥ 358.00
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  • ISBN:
    9787030724779
  • 作      者:
    麻浩
  • 出 版 社 :
    科学出版社
  • 出版日期:
    2023-03-01
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精彩书摘
绪论
  鹰嘴豆(Cicer arietinumL.),属豆科(Leguminosae)鹰嘴豆族(Cicereae)鹰嘴豆属(Cicer),是*早被人类驯化利用的豆科植物之一(ZoharyandHopf,2000)。鹰嘴豆属内有染色体不同的(2n=14、16、24、32等)43个种,其中9个为一年生,33个为多年生,还有1个尚未明确划分。目前只有鹰嘴豆(2n=16)成为重要的栽培作物(Singh,1997)。鹰嘴豆因其籽粒外形独*,酷似脱毛后的鹰头且在种脐附近有喙状突起而得名,又名桃豆、鸡豆、鸡头豆、鸡豌豆、羊头豆、脑豆子、诺胡提(维吾尔语)等。鹰嘴豆是世界上栽培面积较大的食用豆类作物之一,其产量在豆科作物中位居第三(傅樱花等,2021),主要在亚洲和非洲国家种植,其中印度和巴基斯坦两国的种植面积占全世界的80%以上。鹰嘴豆在我国的种植区域范围较窄,主要分布于新疆、甘肃、宁夏等省(自治区),其中新疆的种植面积和产量*大,是国内鹰嘴豆的主要产区(聂石辉等,2015)。
  关于鹰嘴豆的起源,在学术界一直以来存有争议。早期的植物学家曾提出几种假设,如Candolle(1883)认为鹰嘴豆起源于高加索地区南部和古代波斯的北部。而根据Vavilov(1926)对栽培植物世界起源中心的划分,鹰嘴豆有两个主起源中心,即亚洲西南部起源中心和地中海起源中心;一个次级起源中心,即埃塞俄比亚起源中心。中东地区也被认为是鹰嘴豆起源地之一(Ladizinsky and Adler,1976a,1976b),因为有三个鹰嘴豆野生种(C.judaicum Boiss.,C.pinnatifidum Jaub.et Spach和C.bijugum Rech.f.)皆发现于此。根据种子蛋白电泳(Maesen and Gerardus,1972)、种间杂交(Singh and Ocampo,1993)、染色体组型(Ocampo et al.,1992)和同工酶(Labdi et al.,1996)等方面的研究结果,鹰嘴豆*有可能起源于今天的土耳其东南部及其邻近的叙利亚地区。C.reticulatum Ladiz.被认为是鹰嘴豆栽培种C.arietinumL.的野生祖先(Ladizinsky and Adler, 1976a,1976b)。
  鹰嘴豆种质资源具有丰富的生物多样性,在各种不同的气候环境下形成了形态、特性各不相同的种类、品种。由于地理上的长期隔离,鹰嘴豆栽培种(C.arietinumL.)种内已产生了许多形态变异。根据这些变异,种以下可分为4个亚种(也有人认为称为地理小种更为恰当),即地中海亚种(C.arietinum subsp.mediterraneum)、欧亚亚种(C.arietinum subsp.eurasiaticum)、东方亚种(C.arietinum subsp.orientale)和亚洲亚种(C.arietinum subsp.asiatinum)。前两个亚种的种子较大,通常称为喀布里(Kabuli)类型;后两个亚种的种子较小,通常称为迪西(Desi)类型。Desi类型以种子小、粒尖和有色为特征,大部分在印度次大陆、埃塞俄比亚、伊朗和墨西哥栽培。Kabuli类型的种子大、粒较圆且为米色,主要在阿富汗种植,经西亚传到北非、南欧和美洲。Desi类型在亚热带作为秋播作物种植,而Kabuli类型更适于温带作为夏收作物种植(龙静宜等,1989)。
 随着二代测序(next-generationsequencing,NGS)技术的发展,鹰嘴豆基因组信息的研究取得了巨大进展(Varshney et al.,2009;Azametal.,2012;Gaur et al.,2012;Hiremath et al.,2012)。2007年作者所在学术研究团队构建了鹰嘴豆干旱胁迫的cDNA文库,向NCBI提交了7210条表达序列标签(EST),占登录时总登录数的78.3%(Gaoetal.,2008);Varshney等(2009)报道了响应干旱和盐胁迫的20162条EST;Deokar等(2011)通过比较两个抗旱性存在差异的鹰嘴豆品种,获得了3062个基因;Thudi等(2011)完成了由1291个基因标记位点组成的转录图谱。2013年,鹰嘴豆两个类型Desi和Kabuli的全基因组测序完成(Jain et al.,2013;Varshney et al.,2013)。这些研究为鹰嘴豆分子生物学研究的深入开展奠定了基础。随后,大量与鹰嘴豆耐逆性和品质相关的基因被克隆并进行了功能分析。
  一、鹰嘴豆的生物学特性
  鹰嘴豆为一年生或多年生草本植物。
  鹰嘴豆的根是主根系,根系强壮,入土*深达2m左右,大部分根系集中在60cm以内的土层中。主根上着生根瘤,通常为几个顶端肥大分叉的变形虫状,有时也呈扇形。
  鹰嘴豆子叶留土。主茎和分枝呈圆形,主茎长一般为30~70cm,分直立、半直立、披散、半披散四种株型。大多数品种是半直立或半披散型的,一次分枝几乎从近地面的主茎节位开始往上生出,整株看上去像丛生状小灌木。
  鹰嘴豆叶片由两片托叶和一片羽状复叶组成,复叶互生,长5~10cm,由11~18片小叶组成。小叶对生,很少互生,奇数或偶数,卵形,前部边缘锯齿状,叶片上均被有茸毛和腺毛,分泌苦辣味的酸性液体,内含苹果酸和草酸,有防虫作用。
  鹰嘴豆花是蝶形花,单花序,腋生。每个花序通常由l朵小花组成,有时也着生2~3朵花。每朵花由花柄、小苞叶、花萼、花冠和雌蕊、雄蕊组成,花柄长6~13mm。花色有白、粉红、浅绿、蓝或紫等,以白色和紫色*常见。小花内的花柱上光滑无毛并向内弯曲。鹰嘴豆系自花授粉闭花受精植物,开花时间多在上午9时,每朵花开1~2d,单株花期15d左右。
  鹰嘴豆一般每株结30~150个荚。荚呈偏菱形至球形,长14~35mm,宽8~20mm。每荚含1~2粒种子,*多3粒。其籽粒状如鹰头或鸡头,在脐的附近有喙状突起。粒色有黄白、浅褐、深褐、黄褐、红褐、绿和黑之分,种子长4~12mm,宽4~8mm,百粒重10~75g。
  鹰嘴豆的生育期有早、中、晚熟3种类型。鹰嘴豆生育期长短与该品种来源地的生态条件密切相关。例如,来源于印度的品种生育期为70~75d,来源于叙利亚的品种生育期为121~129d。鹰嘴豆生育期的长短主要与结荚至成熟期的天数有关,即这一时期天数少,全生育期就短,属早熟;反之,则属晚熟(阿米娜 阿布里米提和热依拉 木合甫力,1997)。
  鹰嘴豆的产量与播期、播种密度、播种方法、灌溉、施肥量及施肥比例等栽培技术密切相关。植株每节荚数对产量有重要影响,双荚鹰嘴豆产量要比单荚对照增产6%~11%。地膜覆盖种植能促进鹰嘴豆生育期提前,干物质积累增多,田间出苗率提高,*终提升收获指数和籽粒产量(阿米娜 阿布里米提和热依拉 木合甫力,1997)。
  二、鹰嘴豆的营养价值
  鹰嘴豆是一种优良的植物蛋白质资源,其籽粒营养成分齐全,含量丰富,其中蛋白质和碳水化合物约占籽粒干重的80%(傅樱花等,2021)。除此之外,鹰嘴豆籽粒还含有丰富的食用纤维、微量元素和维生素等(曹娅等,2021)。
  鹰嘴豆籽粒蛋白质含量为11%~31%,含有18种氨基酸,其中蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等人体必需氨基酸齐全,还有组氨酸、精氨酸两种条件必需氨基酸,属完全蛋白质,其含量均高于燕麦、甜荞、苦荞、小麦、大米和玉米等,但与其他豆科作物一样,含硫氨基酸(蛋氨酸和半胱氨酸)含量相对较低,是其*大限制性氨基酸,但赖氨酸含量相对较高。
  鹰嘴豆籽粒含有52.4%~70.9%的碳水化合物,其中淀粉含量为36.7%~60.0%。鹰嘴豆淀粉具有期望的质构、良好的口感及大家喜爱的板栗风味,再加上其淀粉含量比燕麦(64.3%)、苦荞(65.9%)、玉米(72.2%)、甜荞(73.11%)等低,因而可用作减肥食品。鹰嘴豆籽粒还含有可溶性糖(4.8%~9.0%),其中低聚糖占总糖的25%~46%。鹰嘴豆中低聚糖有三聚甘露糖、水苏糖和棉籽糖等。Desi类型粗纤维的含量为7%~9%,Kabuli类型为3%~5%,两种类型间粗纤维含量差异较大,这与Desi类型种皮较厚、Kabuli类型种皮较薄有关。与燕麦(1%)、苦荞(1.62%)和甜荞(1.01%)相比,鹰嘴豆的粗纤维含量相对较高,具有降低血糖、胆固醇等作用,对治疗便秘、预防直肠癌等有一定效果。
  鹰嘴豆脂肪含量为5.36%~7.61%,其脂肪酸多为对人体有利的不饱和脂肪酸。例如,Kabuli类型种子脂肪中含油酸50.30%、亚油酸40.00%、肉豆蔻酸2.28%、棕榈酸5.74%、硬脂酸1.61%和花生酸0.07%。Desi类型种子脂肪中含油酸50.10%、亚油酸40.00%、肉豆蔻酸2.74%、棕榈酸5.11%和硬脂酸2.05%。此外,鹰嘴豆种子脂类中还含有胆碱磷脂(郑卓杰,1997)。
  鹰嘴豆籽粒还富含各种维生素和矿物元素及微量元素。例如,含维生素B10.38~0.46mg/100g、维生素B20.12~0.33mg/100g、烟酸1.30~2.90mg/100g、维生素C4.30~13.80mg/100g、维生素E20.66~27.05mg/100g。鹰嘴豆每100g干物质含钙213~272mg、镁165~195mg、铜0.93~1.08mg、锌3.86~4.42mg、磷202~256mg、钾1132~1264mg、铁4.96~8.09mg。
  三、鹰嘴豆的药用价值
  鹰嘴豆具有广泛的生理活性,如防癌、降血脂、保护心血管等,这些功效均与其活性成分异黄酮和皂苷等有关。鹰嘴豆中异黄酮主要为鹰嘴豆黄素A、芒柄花黄素(formoononetin)(何桂香和刘金宝,2005)。发芽的种子胚芽部分含鹰嘴豆芽素A(biochanin A)、鹰嘴豆芽素B(biochanin B)和鹰嘴豆芽素C(biochanin C)等异黄酮类。鹰嘴豆植物幼苗中含异甘草素及4-葡萄糖苷、三羟基黄酮和鹰嘴豆芽素7-葡萄糖苷等黄酮类(肖克来提 木尼拉,2003)。鹰嘴豆具有食用和药用价值(郑卓杰,1997;曹娅等,2021)。据《阿维森纳医典》《维吾尔医遗产-药物宝库》《药物志》《维吾尔医常用药材》《本草拾遗》《中药大辞典》《维吾尔药志》等记载,鹰嘴豆具有润肺、消炎、养颜、健胃、强骨、解毒等功能,能补中益气、温肾壮阳、消渴、解百毒、止咳等,为维吾尔族习用药材,并在医药上常用作预防动脉硬化,降低血压、胆固醇的主要药物,辅助治疗糖尿病。维吾尔医药中用它治疗支气管炎、黏膜炎、霍乱、便秘、痢疾、消化不良、肠胃气胀、毒蛇咬伤、糖尿病、性欲降低、皮肤瘙痒、高脂血症、中暑等疾病。中医上,鹰嘴豆可以调节湿气,有止泻、解毒、壮身等作用。籽粒用水煮后服用,可以清除异常体液、开通体液闭阻、利尿等。醋中浸泡1d后,早晨空腹服用可以杀死肠道寄生虫。鹰嘴豆花可以治疗痢疾,泡水后服用可治疗中药中毒和白带增多等。籽粒可作利尿剂、催乳剂,可治疗失眠、预防皮肤病和胆病等。鹰嘴豆榨出的油适量内服可湿润皮肤和咽喉,外用可以治疗关节痛。同时,鹰嘴豆还是口感极佳的绿色食品,粗粮细做,吃法多样,被誉为“保健品中一枝花”。
  国外对鹰嘴豆药用功能的研究成果也颇为丰富,早在1956年的临床经验就表明,使用鹰嘴豆能成功地治疗70多种严重的营养不良(肖克来提 木尼拉,2003)。
  目前,鹰嘴豆中活性成分与功能之间的对应关系,以及在体内发挥作用的机制尚不十分明确,异黄酮、皂苷类与类胡萝卜素等活性物质的提取纯化也有待进一步研究,特别是其异黄酮中的特征性功能成分,需要深入开展其特有功能研究。目前异黄酮类的深入研究受限于该类组分高效制备方法的技术瓶颈,后期需继续优化分离纯化方法,大量制备活性成分后对鹰嘴豆中活性成分与功能之间的
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目录
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前言
绪论 1 
参考文献 6 
第一章 鹰嘴豆种子贮藏蛋白的研究 8 
第一节 鹰嘴豆种子蛋白组分的等电点及亚基分子量 8 
第二节 鹰嘴豆种子7S和10S蛋白组分的分离提取 15 
第三节 酶解法制备鹰嘴豆蛋白肽 26 
第四节 鹰嘴豆蛋白肽和大豆蛋白肽的功能性 31 
参考文献 38 
第二章 鹰嘴豆种子活性成分的研究 40 
第一节 鹰嘴豆种子总异黄酮和总皂苷 40 
第二节 鹰嘴豆种子总异黄酮和总皂苷的同步提取与分离纯化 56 
第三节 鹰嘴豆种子总异黄酮和总皂苷对糖尿病小鼠的作用 63 
第四节 鹰嘴豆种子可溶性低聚糖 70 
参考文献 74 
第三章 鹰嘴豆苗期耐旱性生理生化基础和响应干旱胁迫的EST序列分析 75 
第一节 鹰嘴豆苗期耐旱性的生理生化基础和耐旱性鉴定 75 
第二节 鹰嘴豆苗期干旱胁迫cDNA文库的构建 90 
第三节 鹰嘴豆苗期响应干旱胁迫的EST序列分析 94 
参考文献 109 
第四章 鹰嘴豆苗期干旱胁迫基因芯片的构建和基因表达谱分析 112 
第一节 EST序列拼接和基因功能注释 112 
第二节 探针设计、芯片制备和表达基因的筛选 115 
第三节 干旱胁迫下鹰嘴豆幼苗根和叶中差异表达基因及其代谢途径 119 
参考文献 138 
第五章 鹰嘴豆耐逆转录因子的克隆和功能分析 140 
第一节 锌指蛋白基因ZF1、ZF2、ZF3的克隆与功能分析 140 
第二节 热激转录因子CarHSFB2基因的克隆与功能分析 163 
第三节 NAC转录因子家族基因CarNAC1~CarNAC6的克隆及功能分析177 
参考文献 246 
第六章 鹰嘴豆耐逆功能基因的克隆和功能分析 249 
第一节 肌动蛋白CarACT1基因的克隆与表达分析 249 
第二节 S-腺苷甲硫氨酸代谢途径中几个重要基因的克隆及其表达研究 255 
第三节 脯氨酸富集蛋白CarPRP1基因的克隆与功能分析 262 
第四节 14-3-3蛋白基因14-3-3-1和14-3-3-2的克隆及功能分析 271 
第五节 胚胎发生晚期丰富蛋白基因CarLEA793和CarLEA4的克隆与表达分析 300 
第六节 F-box蛋白基因CarF-box1和CarF-box2的克隆与表达分析 313 
第七节 Na+/H+反向转运蛋白CarNHX1基因克隆与提高烟草耐盐性研究 332 
参考文献 336 
第七章 鹰嘴豆种子贮藏蛋白类-淀粉酶抑制剂的研究 342 
第一节 鹰嘴豆种子贮藏蛋白类-淀粉酶抑制剂的分离纯化、鉴定与基因克隆 342 
第二节 鹰嘴豆种子贮藏蛋白类-淀粉酶抑制剂的原核表达及抑制活性分析 357 
第三节 贮藏蛋白Cupin结构域与-淀粉酶抑制活性的关系 362 
第四节 鹰嘴豆种子-淀粉酶抑制剂CL-AI体内合成、加工与抑制活性调控机制 378 
第五节 鹰嘴豆种子贮藏蛋白类-淀粉酶抑制剂的生物学特性 388 
第六节 鹰嘴豆种子贮藏蛋白类-淀粉酶抑制剂CL-A2的生物学特性 402 
参考文献 409 
第八章 鹰嘴豆叶片原生质体分离体系和快速繁殖体系的构建 414 
第一节 鹰嘴豆叶片原生质体分离体系的构建与应用 414 
第二节 鹰嘴豆快速繁殖体系的构建 422 
参考文献 426
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