红花草莓花色苷相关基因的表达分析及其初步功能验证

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草莓(Strawberry)属于蔷薇科(Rosaceae)草莓属(Fragaria)植物,栽培品种花瓣多为白色。近年来,已培育出不同色系(红色与粉色)花瓣的草莓,统称红花草莓。其色泽艳丽、观赏价值高,常被作为园林景观装饰及家庭盆栽植物。花色苷是影响红花草莓花瓣不同呈色的主要物质,但目前其呈色物质积累的分子机制尚未明晰。本研究首先对蔷薇科植物花色苷合成途径中的12类主要结构基因家族进行鉴定,结合红花草莓发育时期花色苷含量及相关结构基因的动态变化,筛选与花色苷合成相关性显著且高表达的结构基因,并进行基因克隆及功能初步分析;最后对花色苷合成的相关转录因子进行挖掘及表达分析,主要研究结果如下:1.蔷薇科植物花色苷合成途径12类结构基因家族成员的鉴定对8种蔷薇科植物花色苷生物合成过程中涉及到的主要结构基因(PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、F3H、F3’H、F3’5’H、DFR、ANS、UFGT和OMT)家族成员进行鉴定,结果表明:12类结构基因家族在进化的过程中相对保守;在经历串联复制和片段复制后,可能没有明显的功能分裂,这表明纯化作用在八倍体草莓基因组的进化中发挥了重要作用,为后续进一步研究它们的基因功能和特性提供了理论基础。2.红花草莓发育过程花色、花色苷及相关结构基因的动态变化对红花草莓‘粉韵’和‘粉红熊猫’发育过程花色测定结果表明:随着红花草莓花瓣从S1(花苞)到S5(半开放)的过程中,颜色不断加深,花色苷含量逐渐上升并在S5时期达到最高,在S6(全开放)时期花色苷含量下降,推测其可能与花瓣的衰老有关。同时,在红花草莓‘粉韵’和‘粉红熊猫’花瓣发育过程中,彩度(C*)与红度(a*)呈显著正相关,表明红度(a*)是红花草莓品种‘粉韵’和‘粉红熊猫’花瓣彩度(C*)的主要贡献因子。此外,本研究将30个结构基因的相对表达量与花色苷含量进行相关性分析,发现FanPAL1.2、Fan4CL5.3、FanUGT78D1a.2、FanUGT78D1a.3和FanUGT82A.1基因的相对表达水平与花色苷含量呈现出显著的正相关性(r>0.9,p<0.05),表明这5个结构基因可能参与红花草莓花瓣花色苷合成的调控。3.FanUGT78D1a.2和FanUGT78D1a.3基因克隆与功能初步分析以红花草莓品种‘粉韵’的粉色花瓣作为试验材料,提取RNA并反转为c DNA作为模板,成功构建了2个瞬时表达表达载体35S::FanUGT78D1a.2-GFP和35S::FanUGT78D1a.3-GFP。将这2个瞬时表达载体在烟草叶片中进行亚细胞定位,发现FanUGT78D1a.2定位细胞核和细胞膜上,FanUGT78D1a.3定位在细胞膜上。同时,将构建好的2个过表达载体(35S::FanUGT78D1a.2和35S::FanUGT78D1a.3),通过诱导愈伤组织的方法进行烟草遗传转化试验,对T0代植株进行阳性检测,获得29株FanUGT78D1a.2转基因阳性苗和15株FanUGT78D1a.3转基因阳性苗,并获得T1代烟草转基因种子。4.红花草莓花色苷合成相关转录因子挖掘及表达分析基于本课题组的红花草莓‘莓红’花瓣转录组和沈阳农业大学公布的红花草莓‘四季红’花瓣转录组,利用WGCNA挖掘与花色苷生物合成调控相关的转录因子,挑选出6个MYB和2个b HLH转录因子进行后续分析。q RT-PCR分析发现,Fa MYB6、Fa MYB305、Fa MYB308和Fab HLH79在‘粉韵’和‘粉红熊猫’花瓣发育过程中相对表达量的变化与花色苷含量变化呈显著正相关,推测这4个转录因子可能参与红花草莓花瓣花色苷的合成调控。本研究为花色苷合成调控的研究提供了重要参考,同时为采用基因工程手段对红花草莓花色苷合成相关转录因子的挖掘与功能鉴定提供了思路和基因资源。
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