光信号诱导茄子花青素合成的分子调控机制研究

Anthocyanins are bioactive substances with strong antioxidant activity, anti-cancer, and against cardiovascular disease. Light is the main environmental factor affecting the anthocyanin biosynthesis in plants. Solanum melongena (eggplant) belong rare species that enriched violet anthocyanin in plants. However, due to the limited of insufficient sequence information, the molecular regulation mechanism of anthocyanin biosynthesis in this species is still unclear. Our previous study found that the anthocyanin synthesis of 'He Xian' eggplant is very sensitive to light signals, and shading treatment can completely block the anthocyanin synthesis pathway. This project intends to using liquid chromatography-mass spectrometry and nuclear magnetic resonance technology to reveal the anthocyanin composition and the molecular structure; utilizing the light control cultivation technique to uncover the rules of anthocyanin synthesis rate response to light signal in this species; Application of high-throughput transcriptome sequencing and proteomics analyses to screen differentially expressed genes and proteins between the samples with different anthocyanin synthesis rate, based on transcriptomic and proteomic correlation analysis to establish the molecular regulation network of light signal induced anthocyanin biosynthesis in eggplant, and understand the signal feedback regulation mechanism in this pathway; Furthermore, based on the molecular network analysis to identify the key structural genes and transcription factors in anthocyanin synthesis pathway, and using biochemistry and RNA interference technology to validate the regulation function of these genes. This study can improve the eggplant anthocyanin synthesis theory, and also has the important scientific signification for the future genetic and breeding works.

花青素是具有强抗氧化性和诸多保健功效的天然色素，光是影响植物花青素合成的主要环境因子。茄子是为数不多的富含蓝紫色花青素的蔬菜，由于茄子基因组信息未知，分子方面的研究进展缓慢，目前对其花青素合成调控机制的研究非常滞后。申请人前期研究发现'禾线茄'的花青素合成对光照非常敏感，遮光处理可完全阻断其花青素合成途径。本项目拟采用液质联用和核磁共振技术明确该品种花青素组分及分子结构；并通过控光栽培技术在生理学层面揭示花青素合成速率对光信号的响应规律；应用高通量转录组测序与蛋白质组学技术筛选花青素不同合成速率样品间的差异表达基因与蛋白，根据转录蛋白关联分析构建光信号诱导花青素合成的分子调控网络，并揭示其信号反馈调节机制；最终挖掘该途径中关键结构基因与转录因子，利用生物化学与RNAi技术验证其调控功能。本项目可填补茄子花青素合成的理论空白，对茄科植物遗传育种及工业生产具有重要的科学指导价值。

光是影响花青素生物合成的重要环境因子。以前的研究表明，“Lanshan Hexian”是一种光敏型茄子品种，但其调控机制尚不清楚。本研究通过超高效液相色谱-串联质谱法测定，鉴定飞燕草素-3-[4-（顺式-对香豆酰基）-鼠李糖基-吡喃葡萄糖苷]-5-吡喃葡萄糖苷和飞燕草素-3-[4-（反式-对香豆酰基）-鼠李糖基-吡喃葡萄糖苷]-5-吡喃葡萄糖苷为“Lanshan Hexian”中主要的花青素成分。利用RNA-seq和iTRAQ技术研究了花青素积累的三个时间点，包括起始时间点（0 d）、积累最快时间点（5 d）及积累最高时间点（12 d）。此三个时间点的差异表达基因和差异表达蛋白质的对应相关系数分别为0.6936、0.2332和0.6672。花青素生物合成是一个显著富集的途径，CHI、F3H、3GT、5GT与HY5基因在转录和翻译水平上均受到调控。此外，转录因子和光受体可参与光诱导的花青素生物合成，如MYB113和TT8。瞬时表达实验表明，SmMYB35、SmMYB44与SmMYB86同工型可参与光诱导的花青素合成途径。同时从茄子中克隆了两个蓝光受体基因，CRY1和CRY2，以及光信号负/正调控因子COP1/ HY5。结合已被证明参与了调控茄子花青素的合成MYB1，发现CRY1在叶中的表达量最高，CRY2在根和果皮中的表达量最高，COP1在花中的表达量最高，MYB1在果皮中的表达量最高，而HY5在6种组织中的表达量没有显著差异。光能促进CRY1、CRY2、HY5和MYB1的表达，而抑制COP1的表达。在蓝光下CRY1和CRY2的转基因植株部分恢复了下胚轴长度表型，CRY2的转基因植株也恢复了开花时间，COP1的转基因植株抑制了光下的花青素积累和黑暗下的子叶张开表型，而HY5转基因植株的下胚轴恢复了与野生型相似的长度。这些结果表明这四个基因具有CRY1、CRY2、COP1和HY5的功能。酵母双杂交和双分子荧光互补实验证实，CRY1和CRY2分别能与COP1在酵母和植物中发生依赖于蓝光的相互作用。同样COP1能分别与HY5和MYB1在酵母和植物中发生相互作用。酵母单杂交实验显示，HY5和MYB1可以结合到CHS和DFR的启动子上。根据以上结果，研究人员构建了光诱导茄子花青素合成的调控模型。本研究为揭示茄子中光诱导花青素生物合成的分子机制提供了新的方向。