油菜花色的代谢基础和分子调控

Flower color is the core trait of flower ornamentals. Rape (Brassica napus) has multiple utilizations such as oilseed, ornamental and vegetable crops. As economy and society evolve, field tourism industry featured by rape flower festivals develops fast. However, both commercial cultivars and natural germplasms of rape bare yellow-series flowers, and the market shows more and more demand for flower color diversity of rape. Besides, flower color diversity is also a morphological marker trait pursued by rape breeders and has important potentials in heterosis utilization and other studies. In this research, colorimetry, chromatography and mass-spectrum technologies will be adopted to isolate and identify qualitatively and quantitatively the main pigments from rape petals; electronic cloning will be done to the whole carotenoid pathway and supplementarily to the related branch pathways of flavonoid pathway, and the molecular features of the genes and the proteins will be revealed; through RT-PCR detection, the relationships between the expression levels of major loci of carotenoid and flavonoid pathways and the flower color formation will be revealed; based on transgenic RNA interference, the relative importance of carotenoid pathway and flavonoid pathway in rapeseed flower color trait will be determined.

花色是观花植物的核心性状。油菜兼具油料、观赏园艺和蔬菜等多种用途，随着经济和社会的进步，以菜花节为特色的田园观光产业发展迅速。但油菜商业品种和天然资源的花色均属黄色调，而市场对油菜花色多样性的需求却日益强烈。花色多样性也是油菜育种所渴求的形态标记性状，在杂种优势利用等研究中具有重要应用前景。本研究基于比色、层析/色谱、质谱等手段，分离并鉴定油菜花瓣色素主要成分的属性、种类、含量和分子结构，电子克隆油菜类胡萝卜素全途径，补充电子克隆油菜类黄酮相关分支途径，明确基因和蛋白的分子特征；基于RT-PCR，揭示类黄酮途径和类胡萝卜素途径主要功能基因位点表达水平与花色形成的关系；基于转基因RNA干扰，揭示类黄酮途径和类胡萝卜素途径在油菜花色性状中的相对重要性。

计划书内容总体完成，究目标已达，仍在续研。根据需要增加了研究内容。显微观察表明，油菜等芸薹属物种金黄色花瓣富含有色体，米白/白花瓣中有色体减少/消失，花瓣液泡不显色；萝卜红紫花瓣未见有色体，中央大液泡呈红紫色。提取花瓣色素进行石油醚-盐酸-氨水测试、类黄酮特征显色、紫外-可见光谱分析、类黄酮薄层色谱分析、高效液相色谱分析表明，油菜等芸薹属物种金黄色花瓣富含类胡萝卜素和黄酮醇，但不含花青素，芸薹属白/米白花瓣中胡萝卜素少/无，不含花青素，但含黄酮醇，萝卜红紫花瓣富含花青素和黄酮醇，但不含类胡萝卜素。电子克隆了甘蓝型油菜、白菜、甘蓝的黄酮醇分支途径和类胡萝卜素途径以及萝卜的类黄酮和类胡萝卜素途径。RT-PCR表明，芸薹属和萝卜花瓣中黄酮醇途径均显著表达；类胡萝卜素途径也都旺盛表达，但萝卜红紫花瓣中OR位点关闭，芸薹属白花瓣CCD位点旺盛表达且OR位点表达很低；所有芸薹属花瓣中花青素苷途径关闭，而萝卜花瓣中花青素苷途径表达旺盛。利用新创平台载体，CRES-T特异沉默油菜花瓣黄酮醇途径的转基因植株的蕾期花瓣仅略微变浅，RNA干扰特异沉默油菜花瓣类胡萝卜素途径的转基因植株蕾期花瓣颜色显著变浅。综合五个方面得出结论，花青素生物合成的关闭和类胡萝卜素的旺盛合成并向有色体的积累是芸薹属金黄色花瓣呈色的关键，有色体减少或消失和强的类胡萝卜素分解能力是芸薹属米白/白花瓣形成的原因；萝卜红紫花瓣的呈色机理是花青素苷旺盛合成并向液泡大量积累，同时抑制了有色体发育和类胡萝卜素积累；芸薹属和萝卜所有花瓣中均显著合成并积累黄酮醇，但它对花瓣呈色效应不大。构建了同时沉默油菜花瓣类胡萝卜素和黄酮醇途径并超量表达CRTISO或TT8创制红色油菜花的多个代谢工程载体，正转化油菜。正进行芸薹属和萝卜花瓣转录组高通量测序与比较分析。揭示了韭兰与葱兰花色差异的生化基础，克隆了微孔草蓝花色关键位点F3’5’H、DFR和牡丹深红花色关键位点PAP、TT8、TTG1、AHA，并检测表达特征。该领域国内外仅见油菜、萝卜花色生化或分子机理的点滴研究，没有本质性地解析机理，分子育种还是空白。本项目揭示了油菜等芸薹属物种和萝卜花色的代谢基础和分子调控，将引导未来向发育调控的深度来解析花色机理，开始的油菜红花色分子育种将是观赏园艺的突破，并提高抗甲虫能力，已有进展和预期成果居国际领先水平。