葡萄糖调控牡丹切花花青素苷合成的分子机理

【摘要】花色是观赏植物最重要的观赏性状之一。花青素苷是被子植物花色表达最主要的色素物质。对模式植物的研究表明糖不仅为花青素苷合成提供代谢底物,还以信号分子形式调控花青素苷合成调节基因和结构基因的表达。牡丹(Paeoniasuffruticosa)是我国传统名花之一,从古至今一直深受我国人民的喜爱。了解外源糖对牡丹切花花色和花青素苷合成的调控机制,可为牡丹切花采后保鲜技术的开发提供理论依据。本研究选取紫红色品种‘洛阳红’切花为试材,对葡萄糖调控牡丹切花‘洛阳红’花青素苷合成的分子机理进行了研究。同时,本研究还分离了牡丹葡萄糖信号感知和信号转导关键因子己糖激酶(Hexokinase,HXK)基因家族成员,并对其生物学功能进行揭示。相关结果如下：(1)牡丹‘洛阳红’切花花色品质不如在体花朵,切花花瓣中花青素苷含量和可溶性糖含量低于在体花朵。外源60、90、120g·L-1葡萄糖处理增加切花花瓣中可溶性糖含量和花青素苷含量,并改善‘洛阳红’切花的花色品质,表现为降低花色明度、增加花色红度和彩度。(2)构建了牡丹‘洛阳红’切花混合花瓣转录组,利用Illumina平台测序得到57,206,122条原始reads,经数据过滤和组装生成50,829条unigeneso根据unigene信息分析,ANS基因有1条unigene,CHS、CHI、F3H、F3’H、DFR、MYB、bHLH和WD40等花青素苷合成相关基因有多条unigenes,推测这些基因在牡丹‘洛阳红’中可能以多基因家族形式存在,同时还推测牡丹‘洛阳红’中可能存在6个HXK基因家族成员。(3)基于牡丹‘洛阳红’花瓣转录组unigenes序列,分离得到牡丹花青素苷合成5个调节基因和6个结构基因序列。系统进化树分析,PsbHLHl、PsbHLH3、PsWD40-1、PsWD40-2和PsMYB2基因编码的蛋白可能参与调控牡丹类黄酮和花青素苷的生物合成。PsCHIl基因在叶片中表达量最高,而其他10个花青素苷合成相关基因在花器官相关组织(花瓣、雄蕊、雌蕊和萼片)中高丰度表达。PsbHLH3、PsWD40-1、PsWD40-2、PsMYB2、PsCHS1、PsF3Hl和PsDFRl基因的低丰度表达可能是导致牡丹切花‘洛阳红’花瓣中花青素苷含量降低,花瓣颜色变浅的原因。(4)3-O-甲基葡萄糖(不能被HXK磷酸化的葡萄糖类似物)处理短时间内促进牡丹‘洛阳红’切花花青素苷含量和PsbHLH1、PsbHLH3、PsWD40-1、PsWD40-2、PsMYB2、PsCHSl和PsCHI1基因的表达量,表明短时间渗透压的改善促进牡丹‘洛阳红’切花花青素苷合成。调节基因PsWD40-2、PsMYB2和结构基因PsCHSl、PsCHI1、PsF3’H1响应葡萄糖信号调控。其中,葡萄糖信号通过不依赖HXK途径调控PsWD40-2、PsMYB2、PsCHS1和PsCHIl基因的表达,同时通过依赖HXK途径调控PSF3’H1基因的表达。PsF3’H1基因表达量与切花花青素苷含量紧密相关,被认为是葡萄糖调控牡丹‘洛阳红’切花花青素苷合成的关键基因。甘露糖(能被HXK磷酸化的葡萄糖类似物)处理持续上调多个基因的表达,下调PsF3’H1和PsANS1基因的表达,严重抑制花瓣中花青素苷的积累。(5)与葡萄糖处理‘洛阳红’切花相比,相同摩尔浓度蔗糖处理切花花青素苷含量较低,蔗糖处理切花PsWD40-1、PsWD40-2、PsCHS1、PSF3H1、PsDFR1、PSANS1基因表达量显著高于葡萄糖处理,而PsCHI1和PsF3’H1基因表达量显著低于葡萄糖处理。(6)从牡丹中分离得到葡萄糖信号感知和转导关键因子HXK的2个同源基因PsHXK1和PsHXK2的cDNA全长。依据序列分析和系统进化树分析,推测PsHXK1和PsHXK2蛋白均具有催化己糖磷酸化的功能。PsHXK1基因在花瓣中表达量最高,而PsHXK2基因在雄蕊中表达量最高。根据牡丹‘洛阳红’花瓣中PsHXK1和PsHXK2基因表达情况,推测这2个基因的转录水平可能与己糖含量有密切的关联。PSHXK1和PsHXK2基因过表达转化拟南芥的研究发现,PsHXK1和PsHXK2具备糖信号感知和转导的功能,并响应高浓度葡萄糖调控花青素苷合成相关基因的表达,提高转基因拟南芥的花青素苷含量。上述研究结果表明,除了渗透作用和代谢作用,葡萄糖促进牡丹切花‘洛阳红’花青素苷积累,主要依靠其信号转导调控。此外,PsHXK1和PsHXK2在葡萄糖调控花青素苷合成过程中发挥着重要的作用。上述结论初步解析了葡萄糖调控牡丹切花花青素苷合成的分子机理,为牡丹切花采后保鲜技术的开发提供理论依据。
【作者】张超；
【导师】董丽；
【作者基本信息】北京林业大学，园林植物与观赏园艺，2014，博士
【关键词】牡丹；葡萄糖；糖信号；花色；花青素苷；

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