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杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)属杜仲科,仅1属1种,是中国重要的名贵经济树种。‘红叶’杜仲(Eucommia ulmoides‘Hongye’)叶片红褐色,极具观赏价值,且药用价值突出,2009年通过河南省林木良种审定。目前对‘红叶’杜仲生理特征及呈色规律研究较少。本论文以‘红叶’杜仲、‘小叶’杜仲(Eucommia ulmoides‘Xiaoye’)以及‘密叶’杜仲(Eucommia ulmoides‘Miye’)三个品种苗期的叶片为研究材料,对其表型性状、微观构造、内部各活性成分含量、光合作用参数及叶绿素荧光参数等指标进行测定,揭示‘红叶’杜仲特殊叶色形成的直接原因;通过转录组测序筛选出控制‘红叶’杜仲叶色形成的关键基因。主要研究结果如下:1.‘红叶’杜仲的叶片正面暗红色,背面绿色,其他品种的叶片正面和背面均为绿色;‘红叶’杜仲的栅栏组织呈现鲜红色,其他品种的栅栏组织为深绿色。‘红叶’杜仲的亮度(L值)为28.17,变红度(a*值)为0.96,变黄度(b*值)为2.69,颜色指数为5.54,达到深红级别。‘红叶’杜仲叶绿素a含量(Ca)为1.10 mg·g-1,叶绿素b含量(Cb)为0.45 mg·g-1,类胡萝卜素含量(CCar)为0.45 mg·g-1,总叶绿素含量(CT)为1.56 mg·g-1,花色苷含量(CA)为0.30 mg·g-1,其CCar、CA以及CCar/CT均显著高于‘密叶’杜仲和‘小叶’杜仲,而‘红叶’杜仲和‘密叶’杜仲间的Ca和Cb及Ca/Cb及CT均无显著差异。高含量的花色苷是‘红叶’杜仲叶片呈现红色的主要原因。2.‘红叶’杜仲叶片最大,其叶长、叶宽及叶面积分别为14.44 cm、6.98 cm和77.34 cm2,显著高于‘小叶’杜仲。‘红叶’杜仲的叶片厚度和栅栏组织厚度分别为431.67μm和186.61μm,其中海绵组织厚度显著低于‘小叶’杜仲,但其栅栏组织厚度则显著高于‘小叶’杜仲。‘红叶’杜仲黄酮质量分数最高,为1.70%,显著高于其他2个品种;绿原酸和京尼平苷酸质量分数分别为1.47%和0.29%,其中绿原酸质量分数与其他2个品种无显著差异,但京尼平苷酸显著低于‘密叶’杜仲。3.‘红叶’杜仲的光补偿点为23.96μmol·m-2·s-1,光饱和点为495.94μmol·m-2·s-1,最大净光合速率为16.91μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率1.67μmol·m-2·s-1,初始斜率为0.08;‘小叶’杜仲的光补偿点为26.49μmol·m-2·s-1,光饱和点为521.92μmol·m-2·s-1,最大净光合速率为18.50μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率为1.67μmol·m-2·s-1,初始斜率为0.07;‘红叶’杜仲的温度和各光合参数间存在显著的线性回归关系,回归方程的决定系数为0.48~0.96。‘红叶’杜仲的最小荧光(Fo)为0.36,显著低于‘小叶’杜仲,而‘红叶’杜仲Fv/Fm、Fv/Fo及659μmol·m-2·s-1光照条件下的初始荧光(Fo’)分别为0.81,4.18和12.40~12.50;显著高于‘小叶’杜仲;2个品种的光合作用参数和叶绿素荧光参数表明,‘红叶’杜仲利用中强光的能力高于‘小叶’杜仲,而强光的利用能力弱于‘小叶’杜仲。4.‘红叶’杜仲叶色形成过程中,其L值由32.89降至28.45,a*值由-8.70升至1.03,b*值由13.35降至2.51,L值、a*值及b*值在不同阶段间均存在极显著差异,且其叶色各指标的变化幅度远高于‘小叶’杜仲。在‘红叶’杜仲叶色形成中,其色素含量除了叶绿素a/叶绿素b是逐步降低外,其他指标均为逐步上升,且各指标在叶色形成的不同阶段间均存在极显著差异;花色苷含量从0.22 mg·g-1增至1.91 mg·g-1,增幅达748.96%,增幅远高于‘小叶’杜仲;PAL酶活性在‘红叶’杜仲叶色形成各阶段无显著差异,而CHI酶活性在各阶段存在显著差异。叶片色差值与色素含量直接相关,L值、a*值及b*值与类胡萝卜素含量、花色苷的含量及类黄酮含量成极显著相关;CHI酶活性和杜仲叶片L值、a*值、b*值类胡萝卜素含量、花色苷含量及类黄酮含量间均存在显著或者极显著的相关关系,而PAL酶活性与叶片色差值间则无显著相关性。5.本研究采用RNA-seq技术对‘红叶’杜仲和‘小叶’杜仲的典型叶片进行转录组测序及分析,共得到216,385,416条clean reads,经组装得到54,517条Unigene,组装的N50为1,377 nt,平均长度为806.90 nt,组装效果较好。共有25,993条Unigene得到注释,注释比例为47.68%,其中27,732条基因能编码蛋白序列,占总Unigene数量的50.87%。经转录因子预测,得到5,854个转录因子,其中bHLH为614个,MYB转录因子为569个,NAC为460个,而WD40蛋白仅有60个。54517条Unigenes中共包含17010个完整型SSR位点,占总SSR位点的96.28%。完整型SSR位点共包含67种重复基元,其中出现频率最高的重复基元类型为单核苷酸重复中的A/T(7747个),其次是AG/CT(5039个)和AT/AT(850个)。从花色苷代谢途径、类黄酮代谢途径及类胡萝卜素代谢途径中共找到13个SSR位点。基因差异表达分析得到‘小叶’杜仲与‘红叶’杜仲相比,差异表达的基因有3,904个,其中1,389个上调,2,515个基因下调。其中,差异表达的转录因子628个,其中MYB转录因子26个,bHLH转录因子49个,尚未发现差异表达的WD40转录因子。通过pathway分析得到‘红叶’杜仲和‘小叶’杜仲在花色苷合成途径中差异表达的关键酶基因16条,其中类黄酮糖基转移酶(GT)基因9个,二氢黄酮醇还原酶(DFR)基因5个,黄烷酮-3-羟化酶(F3H)基因1个,类黄酮3,5羟化酶(F3’5’H)基因1个。在花色苷合成途径中差异表达的转录因子有3个,其中2个MYB转录因子,均为调控糖基转运蛋白;1个b HLH转录因子。经荧光定量验证得到参试基因的表达情况与转录组测序所得趋势基本一致,说明转录组测序的可靠性。候选基因的表达模式规律明显,从中选择出叶龄10 d和叶龄34 d是两个基因表达高峰期。基因间协同表达关系较强,认为EuMYB2、EubHLH、EuGT4、EuGT2、EuF3H可能是花色苷合成的关键基因。