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茉莉酸和油菜素甾醇调控番茄果实类胡萝卜素积累的机理研究

刘丽红  
【摘要】:番茄(Solanum lycopersicum)是人类膳食结构中类胡萝卜素含量最高的蔬果之一。番茄果实成熟过程中最大的变化之一就是类胡萝卜素的积累,这种变化使番茄具有很高的营养价值,并使其成为研究果实发育和类胡萝卜素代谢的模式体系。目前番茄果实类胡萝卜素合成的途径和结构基因已经得到鉴定,由于其成熟过程中类胡萝卜素的代谢与调控是一个非常复杂的过程,其代谢调控网络尚待阐明。本论文研究利用番茄的各种激素突变体和转基因材料,综合运用生理生化、遗传学、分子生物学、显微化学和蛋白组学等技术,探究植物激素茉莉酸(jasmonic acid, JA)和油菜素甾醇(brassinosteroid, BR)调控番茄果实成熟过程中类胡萝卜素代谢的机理。研究结果将加深人们对植物激素调控的类胡萝卜素代谢调控网络的认识,有助于更好地理解乙烯(ethylene)之外的其他植物激素在类胡萝卜素合成和品质形成中的功能,为今后应用化学调控和基因工程手段改良番茄的营养和品质提供理论依据。主要研究结果如下: 1、利用番茄JA生物合成缺失突变体spr2和def1以及JA合成过量转基因材料35S::prosys,分析了其果实成熟过程中番茄红素含量的变化以及番茄红素合成关键基因(DXS、GGPS、PSY1、PDS)的表达。结果表明,JA缺失突变体spr2和def1中番茄红素的含量与野生型相比显著降低,而JA合成过量转基因材料35S::prosys的番茄红素含量显著升高。同时,番茄红素合成基因的表达呈现相同的变化趋势。使用不同浓度的外源茉莉酸甲酯(MeJA)处理,发现在一定浓度范围内,处理果实番茄红素的含量随着外源浓度的升高而增加;当浓度大于0.5μM时,MeJA的处理抑制了处理果实类胡萝卜素的积累。浓度为0.5μM的MeJA处理也恢复了spr2和def1的番茄红素含量。由于乙烯能促进番茄果实成熟过程中类胡萝卜素的积累,而JA内源和外源水平的高低与乙烯的释放量呈正相关,为了探明JA对类胡萝卜素的促进作用是否与乙烯途径相关,我们进一步利用0.5μMMeJA处理番茄的乙烯信号转导突变体Nr,发现MeJA同样促进了Nr番茄红素的积累和生物合成相关基因的表达。据此得出,JA可以独立于NR受体介导的乙烯途径促进番茄果实中番茄红素的合成。 2、外源表油菜素内酯(epibrassinolide, EBR)处理番茄果实及其果皮圆片均可以有效促进番茄果实成熟过程中类胡萝卜素的积累。为进一步验证EBR的功效,以番茄的乙烯信号转导突变体Nr为材料,发现EBR同样促进了Nr植株果实中类胡萝卜素的积累。据此得出,BR可以独立于NR受体介导的乙烯途径促进番茄果实中类胡萝卜素的合成。转录因子BZR1是BR信号转导的重要组分,关于其在番茄果实发育和类胡萝卜素积累中的功能尚不清楚。本研究在番茄中异源过表达拟南芥功能增强BZR1-1D突变基因,得到3个转基因株系BZR1-1D#3、 BZR1-1D#6和BZR1-1D#23,其果实中类胡萝卜素积累均增加,其中BZR1-1D#6和BZR1-1D#23还表现出了番茄果实风味基因GLK2控制的绿果肩表型。由于BZR1-1D#23株系的效应最显著,因此,我们对其进行了显微化学分析,透射电镜观察发现其叶绿体数量增加,体积增大并伴随类囊体堆叠和质体小球数目的增多。除此之外,转基因株系番茄果实中其他营养物质,如可溶性固形物、可溶性糖和维生素C等的积累也得到促进。因而,BZRl可以通过转录调控番茄类胡萝卜素合成途径和促进质体发育来提高类胡萝卜素含量,并改善番茄的风味和营养品质。 3、利用iTRAQ蛋白组学技术分析了番茄果实发育中的典型时期(未熟期IM、绿熟期MG、破色期B和红熟期R)野生型WT果实中的蛋白组变化,同时也分析了异源过表达拟南芥功能增强BZRl-1D突变基因得到的两个转基因株系BZR1-1D#6和BZR1-1D#23与WT之间的蛋白组变化。结果表明,共有2338个蛋白被鉴定,其中差异蛋白389个。我们比较并列出了在番茄果实发育的四个特定时期(IM、MG、B和R)BZR1-1D转基因果实与野生型WT之间发生的蛋白变化。此外,我们还比较分析了在番茄果实从IM到G时期转变和从B到R时期转变过程中,BZR1-1D转基因果实与野生型WT之间发生的蛋白变化。研究发现BZR1参与调控番茄果实成熟过程中的营养储存,蛋白合成和加工,生物和非生物胁迫的抗性、细胞壁代谢和光合系统中光能的吸收。


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