基于转录组学分析对钟山红玉发育过程中花青苷积累机制初步探究

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花青苷通过苯丙环途径合成,属于类黄酮类物质。已有广泛研究证明花青苷对疾病具有预防作用,例如不同类型的癌症以及生理性疾病。大多数红色葡萄在果皮中可以积累大量的花青苷,而人们的主要食用部分果肉中却基本没有或仅有微量的花青苷积累。葡萄果色作为影响葡萄果实品质的重要因素,对葡萄果色的研究对于提高葡萄果实品质具有重要意义。在葡萄中,有一类葡萄不仅能在果皮中积累花青苷,在果肉中也可积累大量花青苷,被称为红肉葡萄。这类葡萄普遍含糖量较低,果粒较小,但由于具有高浓度的花青苷含量,普遍被用作葡萄酒酿造。在本次实验中,研究材料为鲜食红肉葡萄新种质钟山红玉,这一红肉品种成熟时果实单果重可达5.58 g,比一般用于酿酒的红肉葡萄品种大,可作为鲜食葡萄。目前,关于葡萄中花青苷合成代谢途径已基本证实,但是关于葡萄果肉着色的机理尚不明确,因此本实验通过对钟山红玉葡萄进行分子及生理相关研究,旨在为探究葡萄果肉转色机制提供理论基础,以及为培育高浓度花青苷保健鲜食葡萄品种提供理论依据。主要研究结果如下:1.自花后3周(3 weeks after anthesis,WAA)开始采取钟山红玉果实样品至成熟期(10 WAA),测定其果实纵横径、单果重及果实品质,果实发育过程中果实纵径表现为双S变化趋势,而果实横径则表现为单S变化趋势,在花后5-6周,果实生长停滞期时,果实可溶性固形物含量显著上升,可滴定酸含量显著下降。通过高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)测定成熟时期钟山红玉及‘夏黑’葡萄果皮、果肉中花青苷种类含量发现,钟山红玉中花青苷均为单糖苷类花青苷,且钟山红玉果皮、果肉中花青苷含量显著高于‘夏黑’。特别的是,在钟山红玉果实中还检测出了其他欧亚种葡萄中少有的天竺葵素类花青苷。2.为探究钟山红玉葡萄果肉转色的内在机理,在2017年取钟山红玉果肉转色前(花后3天,3 days after anthesis,DAA)、果肉转色期(花后6天,6 DAA)及果肉转色中期(花后22天,22 DAA)三个时期的果实样品,并应用测序技术进行转录组分析,配合通过HPLC-MS进行相关花青苷代谢分析。在转录组分析结果中共筛选出56个目的基因,其中包括26个调节基因和30个结构基因。结合花青苷种类含量变化规律发现,二羟基取代类(矢车菊素、芍药素-)花青苷和三羟基取代类(飞燕草素、矮牵牛素、锦葵色素-)花青苷之间的比值与花青苷合成相关结构基因F3’H和F3’5’H相对表达量之间的比值相关。另外,在1 10个KEGG通路中,光合作用-天线蛋白(photosynthesis-antenna proteins)和光合作用(photosynthesis)两个通路在三组对比中显著富集。本次研究推测了光响应与红肉葡萄转色相关的调节机制,通过RNA-seq提供了控制花青苷合成相关的目的基因,为进一步研究红肉葡萄转色机制提供理论基础。3.自2018年6月10日,即钟山红玉果实花后3周(3 WAA)至7月29日,果实成熟期花后10周(10 WAA),每隔7天取一次果实样品,利用色差仪测定果实色泽,并将果皮、果肉剥离开来分别通过HPLC-MS鉴定其中花青苷种类及含量。另外,从转录组测序结果中筛选出12个候选基因,在不同发育时期的钟山红玉果皮、果肉中通过qRT-PCR测定基因相对表达量。结果显示,钟山红玉葡萄果皮与果肉中各类花青苷比例不同,基因表达分析发现,UFGT基因在果肉中基本无表达,而MYBA2基因可能是决定钟山红玉果肉转色的关键因子。
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