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‘红阳’猕猴桃果实发育转录组及花青素累积机理研究

李文彬  
【摘要】:‘红阳’猕猴桃富含糖分、多种矿物质、氨基酸和维生素C,更含有独特的花青素,是广受消费者喜爱和具有极高市场潜力的优良猕猴桃品种之一。但与果实发育及优良性状形成相关的激素、糖、淀粉、维生素C及花青素的合成与代谢过程还缺乏深入的研究。随着‘红阳’猕猴桃基因组序列的公布,使得对于猕猴桃分子生物学进行深入研究成为可能。转录组测序在基因的挖掘及表达调控方面具有非常强大的功能,也是进行猕猴桃生长发育及优良性状形成过程研究的科学高效的方法。在本研究中,我们采用高通量测序技术(Illumina/Solexa)对‘红阳’猕猴桃果实发育中的七个时期进行转录组测序,共获得9亿多条clean reads,通过与猕猴桃基因组及其他相关数据库比对,发现表达的基因共有32,536条,不同时期发生可变剪切的基因数范围为15,692~6,193,新的转录本为6,928~4538,其中新基因为4578~3012条,SNP位点为131,393~66,655,约8,000多条基因的结构得到优化。相邻发育阶段间差异表达基因分析表明猕猴桃果实发育的分界点是花后110天(S5),此前果实发育相对较快,上调基因多于下调基因,此后明显减慢,下调基因明显增加。通过MapMan软件对差异表达基因进行分子生物学代谢途径分析,表明这一时期只有与光反应、糖酵解、糖和淀粉降解相关的基因被明显上调。通过对果实发育过程中基因表达水平的分析,我们重点分析了与激素、糖、淀粉、维生素C及花青素合成及代谢相关的基因。候选基因通过MapMan比对到各个代谢途径,基因结构通过分子系统进化分析。许多与细胞生长素(AUX)、分裂素(CK)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)及乙烯(ET)合成、代谢及信号传导途径中的关键基因、调控因子及响应蛋白被发掘。AUX信号传导途径中的接受子及响应因子,包括生长素载入载体(AUX1/LAX)、运输抑制响应因子1(TIR1)、生长素响应蛋白(AUX/IAA)、SAU及生长素响应因子(ARF),转录水平的变化表明所研究的果实发育期间生长素的信号转导较低;四个细胞分裂素酶中,三个在后期的表达水平都较低,其他CK途径中的合成基因CIS ZOG和ZOX,及信号传导基因CRE1、AHP和B-ARR的转录水平在后期都较低;ABA合成途径中的ZEP、NCED和AAO在发育后期的表达水平较高,ABA信号接受子PYL与合成基因的转录水平非常相似,而果实中ABA的含量在后期也较高;GA合成途径中关键基因GA20ox和GA3ox表现为前期表达水平较高,而后期表达水平较低,大量编码负调控因子DELLA蛋白的基因在整个发育期的表达水平都较高;我们获得了一批在乙烯合成过程中起关键作用的ACC合成酶和ACC氧化酶基因,尤其是ACC氧化酶在成熟期(S6)的高表达,是呼吸跃变型水果成熟的重要标志。这些激素合成、代谢及信号转导途径中基因的表达水平与猕猴桃果实中激素水平的变化基本一致,揭示了猕猴桃果实发育过程中激素水平变化的分子生物学基础。果实中糖及淀粉合成相关关键酶基因的变化与可溶性糖及淀粉含量的变化总体相一致,其中与蔗糖相关的基因SPS和SPP,及代谢相关的A/NI、SuSy、 FK和HK的表达水平都随着果实糖份含量的增加再增加,与淀粉合成相关的AGPase、SS和SBE的表达水平较高,且在整个发育期都比较稳定,与淀粉代谢相关的基因SP、AM/BM、GWD及GPT等的转录水则表现为随着果实的逐渐发育而明显增加的趋势,表明果实中淀粉含量较高,且后期淀粉水解加快向糖类的转化。获得了Vc合成途径中L一半乳糖途径中的所有关键酶基因,其中PMM、 GMP、GME在整个发育期的表达水平都比较高,其他基因包括PGI、PMI、GGT、 GDH和GalLDH的表达水平不太高,与Vc代谢相关的酶基因L-抗坏血酸过氧化物酶(APX)和单脱水抗坏血酸还原酶(MDHAR)基因家族成员较多,并且大多基因的表达水平较高,表明在整个发育期猕猴桃果实内Vc代谢非常活跃。通过对猕猴桃花青素合成相关的基因的研究,结合不同发育期花青素积累水平的变化,表明ANS2和UF3GT1可能是决定猕猴桃花青素合成的关键基因。对花青素合成调控因子MYB10的功能进行了深入研究,烟草瞬时表达系统将MYB10的表达定位在细胞核内,过表达AcMYB10的拟南芥表明,该基因受到日照时间长短的诱导,长日照条件下(16 h),过表达MYB10基因的拟南芥叶子变紫,而短日照条件下(8 h),转基因拟南芥表型没有变化,说明AcMYB10需在光诱导下才能发挥调控花青素合成中的作用。通过转录组测序获得的猕猴桃果实发育过程中基因的表达水平,为进一步研究果实发育及品质形成奠定了基础,研究结果对果实分子生物学研究、猕猴桃育种、猕猴桃优良资源的利用将发挥重要的作用。


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