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柑橘原花青素积累及ABA代谢的调控机制研究

张印  
【摘要】:色泽作为柑橘果实品质的重要评价指标之一,直接决定柑橘果实的经济效益。类胡萝卜素、花青素以及原花青素作为柑橘的主要呈色色素,其生物合成与积累是柑橘育种的重点关注性状。植物激素脱落酸(ABA)作为类胡萝卜素氧化裂解衍生物,与柑橘果实类胡萝卜素的积累有着紧密联系。此外,ABA在调控柑橘果实成熟衰老的过程中也扮演着重要角色。目前关于柑橘色泽的研究主要集中在类胡萝卜素和花青素的生物合成和转录调控方面,而对于柑橘原花青素积累以及ABA与类胡萝卜素积累之间的关系方面还十分有限。丰富的柑橘种质资源为柑橘色泽的研究,特别是这两类色素之间的关系研究提供了理想材料。红暗柳甜橙(Citrus sinensis Osbeck cv.Hong Anliu)是一个内种皮原花青素积累缺失、果肉番茄红素大量积累以及ABA含量显著降低的色泽突变体。本研究以红暗柳甜橙为材料,系统地解析了柑橘原花青素积累的分子机制。此外,本研究利用红暗柳甜橙鉴定了调控柑橘ABA代谢的调控因子并初步建立了ABA影响类胡萝卜素积累以及促进果实成熟衰老的分子调控网络。主要研究结果如下:1.柑橘原花青素积累的调控机制研究甜橙(C.sinensis Osbeck)品种中暗柳、红暗柳以及埃及糖橙的种子在原花青素积累方面存在明显差异。分析表明红暗柳和埃及糖橙的内种皮原花青素积累缺失,而暗柳的内种皮原花青素积累正常。转录组测序分析它们的种子和果肉,获得调控柑橘原花青素积累的候选转录因子CsPH4和Noemi。序列分析表明,CsPH4和Noemi分别属于R2R3-MYB和bHLH类蛋白;亚细胞定位和转录活性分析显示CsPH4和Noemi基因均是定位于细胞核的转录激活因子。柑橘愈伤中超量表达CsPH4和Noemi后原花青素含量显著增加;qRT-PCR分析表明,在CsPH4或Noemi超量表达柑橘愈伤中原花青素生物合成基因显著上调表达。此外,在CsPH4超量表达柑橘愈伤中Noemi基因也显著上调表达。超量表达CsPH4于拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型和tt2突变体中,表型分析显示CsPH4基因促进野生型拟南芥原花青素的积累以及互补tt2突变体种子原花青素积累的缺失。酵母双杂、双分子荧光互补以及GST pull down实验结果表明,CsPH4与Noemi蛋白相互作用形成CsPH4-Noemi复合体。双荧光素酶以及烟草瞬时表达实验结果表明,CsPH4-Noemi复合体激活原花青素生物合成基因DFR、ANS、ANR和LAR的表达,同时CsPH4-Noemi复合体也激活Noemi基因的表达;凝胶迁移实验(EMSA)证明了CsPH4蛋白直接结合DFR、ANR、LAR以及Noemi基因启动子上的MRE位点。上述研究结果解析了CsPH4-Noemi复合体以一种正反馈调节环的方式调控柑橘原花青素积累的分子机制,该机制为基因工程改良柑橘果实品质提供了理论基础。2.柑橘果实ABA代谢及衰老的调控机制研究本研究通过转录组数据获得参与调控柑橘类胡萝卜素代谢的候选转录因子CsHB5。序列分析表明,CsHB5属于HD-ZIP I家族蛋白。亚细胞定位和转录活性分析显示,CsHB5基因是一个定位于细胞核的转录激活因子。qRT-PCR分析CsHB5基因在柑橘组织中的表达模式表明,CsHB5基因被失水诱导而被低温抑制。将CsHB5超量表达于柑橘愈伤中,表型分析显示CsHB5基因显著提高柑橘愈伤ABA以及活性氧的含量。qRT-PCR分析表明,CsHB5超量表达的柑橘愈伤中ABA代谢相关基因BCH1、NCED2、CYP707A1和AAO3显著上调表达。沉默柑橘愈伤CsHB5基因显著下调ABA代谢相关基因BCH1、NCED2、CYP707A1和AAO3的表达,而对愈伤的ABA以及活性氧含量没有显著影响。异源超量表达CsHB5于番茄(Solanum lycopersicum)和拟南芥中,表型分析显示CsHB5基因显著促进植株叶片黄化及衰老,同时CsHB5超量表达番茄的ABA含量显著增加而番茄红素含量显著降低。转录组测序分析CsHB5超量表达的柑橘愈伤和番茄果实显示,CsHB5基因参与调控叶绿素降解、营养物质合成与转运以及ABA和活性氧的信号转导等多个衰老相关的生物学过程。酵母单杂、双荧光素酶以及EMSA实验结果表明,CsHB5蛋白通过直接结合BCH1和NCED2基因的启动子来激活它们的转录。上述结果揭示了CsHB5基因通过直接调节BCH1和NCED2的表达来调控柑橘ABA的积累从而诱发柑橘果实衰老。该研究结果加深了我们对果实衰老过程中复杂调控网络的认识以及解析了ABA调控非呼吸跃变型果实衰老的分子机制。


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