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月季红双喜花瓣变色的化学基础及比较转录组分析
张和臣, 王慧娟, 李艳敏, 高杰, 袁欣, 王利民, 王校晨, 赵银鸽, 符真珠
植物学报    2022, 57 (5): 649-660.   DOI: 10.11983/CBB22049
摘要   (908 HTML25 PDF(pc) (5737KB)(624)  

月季(Rosa hybrida)花色丰富, 是世界著名的观赏花卉。月季红双喜因其花瓣的变色特性而在市场上广受欢迎。该研究通过类黄酮和类胡萝卜素靶向代谢并结合转录组分析, 发现红双喜的黄色花瓣呈色主要源于叶绿素、类胡萝卜素以及类黄酮的积累, 红色花瓣呈色主要是花青素苷积累增加且糖苷化的结果。花青素苷合成关键基因CHIANSUFGT, 以及R2R3-MYB家族的AN2-like成员在红色花瓣中的强烈表达是花青素苷积累的分子基础; 类胡萝卜素成分改变及相关基因的表达变化在红双喜花瓣变色过程中也起重要作用, 并且miRNA156可能参与其调控过程。该研究揭示了月季红双喜花瓣变色的分子和化学基础, 研究结果为观赏植物花色分子设计育种提供了重要理论依据。


Type Total
transcripts
Differentially expressed transcripts Up regu- lated Down regu- lated
mRNA 36193 2250 1371 879
miRNA 7845 22 21 1
LncRNA 146605 51 24 27
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表3 月季红双喜不同呈色花瓣中mRNA、miRNA和LncRNA的数量
正文中引用本图/表的段落
通过荧光定量(qRT-PCR)方法对相关基因在不同发育时期的花瓣进行表达特性分析, 以验证转录组数据的可靠性。样品总RNA提取采用宝生物RNAiso Plus 试剂盒, 并用超微量分光光度计(NanoDrop 2000c)对RNA进行定量。反转录试剂盒采用宝生物Prime- Script? II 1st Strand cDNA Synthesis Kit。荧光定量PCR试剂盒采用宝生物SYBR? Premix Ex Taq?。荧光定量PCR实验仪器为Bio-Rad CFX。以月季GAPDH基因作为内参(Klie and Debener, 2011), 采用2?ΔΔCT方法计算不同基因的相对表达量, 每个基因设3次重复, 数据分析用SPSS软件。荧光定量PCR所用引物见表1。
对红双喜不同呈色花瓣中的转录组进行分析(表3), 共鉴定出mRNA转录本36 193个。其中差异mRNA转录本(也称差异基因)为2 250个(上调1 371个, 下调879个); miRNA转录本为7 845个, 其中差异转录本22个(上调21个, 下调1个); LncRNA转录本为146 605个, 其中差异转录本51个(上调24个, 下调27个)。
编码基因的表达差异是性状差异化的分子基础。对红双喜不同呈色花瓣编码RNA (mRNA)的表达特性进行比较分析, 其中16 857个基因无差异表达, 差异表达基因有2 250个, 上调基因1 371个、下调879个(图3A)。将差异基因进行KEGG代谢通路富集分析, 结果表明, 有3个基因参与花青素苷合成(anthocyanin biosynthesis), 14个基因参与类胡萝卜素合成(carotenoid biosynthesis), 53个基因与光信号转导过程相关(photosynthesis和photosynthesis-antenna proteins) (图3B)。
花色是观赏植物的重要性状, 直接影响其观赏品质。决定花瓣呈色的化学物质有类黄酮/花青素苷、类胡萝卜素以及甜菜色素。其中, 类黄酮/花青素苷是分布最广泛的色素, 决定大多数植物的花瓣由黄色(黄铜和黄酮醇等)至紫色(花青素苷)的一系列呈色(Tanaka and Ohmiya, 2008; 朱满兰等, 2012); 类胡萝卜素则对百合(Lilium hybrida)和万寿菊(Tagetes erecta)等植物花瓣的呈色起决定性作用(Moehs et al., 2001; Yamagishi, 2011)。类黄酮的生物合成前体物质是苯丙氨酸, 其合成过程由一系列结构基因参与, 合成途径中一些关键基因的成员数量、序列特性以及表达方式是类黄酮成分差异的分子基础(Grotewold, 2006; Provenzano et al., 2014)。例如, F3H是矢车菊色素合成的关键基因, F35H主要决定飞燕草色素的合成; DFRANS是花青素苷合成的主效基因, FLS主要与ANS竞争决定黄酮醇的合成(Tanaka and Ohmiya, 2008; Sasaki and Nakayama, 2015); 糖苷化修饰基因则起稳定花青素苷结构的作用。本研究对月季红双喜花瓣的转录组数据分析表明, 花青素苷合成途径中的主效基因ANS及与花青素糖苷化修饰相关的3个UFGT基因在红色花瓣中的表达明显较强; 相应的红色花瓣中糖苷化修饰的花青素苷积累明显较多。天竺葵素和矢车菊素分别由F3HF3H基因决定, 2种类型的花青素苷在红色花瓣中的积累均明显增强, 意味着ANSUFGT对2种类型花青素苷的合成和修饰无明显偏好性。该结果说明, 花青素苷合成通路中的这些关键基因在红色花瓣中的表达增强对其呈色起决定作用。但是, 红色花瓣中含氧类胡萝卜素修饰相关的一些基因表达较强, 并且玉米黄质和叶黄素积累明显增多; 这些类胡萝卜素相关基因的表达及成分变化可能对红双喜红色花瓣呈色起助色作用。色素分层分析也证明, 花青素苷对红色花瓣起主效作用, 对黄色(黄绿)花瓣起决定作用的是脂溶性色素。圣草素查尔酮和芹菜素等上游类黄酮在黄色花瓣中积累较多, 说明黄酮类物质对黄色花瓣呈色起助色作用。
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