木薯块根蛋白质含量与有色体类胡萝卜素积累的偶联机制

Cassava is one of the most important food crops in the world. The intensive yellow cassava in tuberous roots has high carotenoid content and its protein content is five times more than that of general cassava cultivars. In order to understand the correlation of protein content and carotenoid accumulation, the morphological structure and amount of chromoplasts in white cassava, pink cassava, yellow and intensive yellow cassava will be investigated during different developmental stages of tuberous roots using electronic microscope and optical fluorescence microscope techniques. The expressed proteome profiles of carotenoid-protein complex and non-pigment-associated protein complex in chromoplasts and identification of differential proteins between those cassava cultivars will be established using size exclusion chromatography and subcellular comparative proteomics techniques, and then the key proteins and their genes related with the regulation of chromoplast formation and carotenoids accumulation will be rapidly and accurately determined. The analysis of those protein functions using drought stress and cassava foliar spraying with ABA solution will be used to elucidate the correlation of chromoplast formation, carotenoids accumulation and protein increase in cassava tuberous roots. The biological regulatory network of protein-protein will be established to reveal the coupling mechanism of protein content increase related with chromoplast formation and carotenoid accumulation. These data will provide new clues for innovation of cassava cultivar with high quality nutrition.

木薯是世界重要的粮食作物，含类胡萝卜素高的深黄木薯品种，其块根蛋白质含量是普通木薯的5倍以上。为了解木薯块根蛋白质含量和类胡萝卜素积累的关联性，本研究通过电子显微镜和光学荧光显微镜技术进行白心面包、粉红、蛋黄和深黄食用木薯块根有色体在块根不同发育期的形态结构和数量变化研究，结合过滤层析方法和亚细胞比较蛋白质组学方法建立木薯不同品系块根有色体的类胡萝卜素结合与非结合蛋白质组表达谱和差异表达蛋白质的质谱法鉴定；快速、准确地获得调控有色体形成和类胡萝卜素积累的关键蛋白质及其基因；通过干旱胁迫和ABA叶面喷施处理研究这些蛋白质的功能，揭示有色体形成和类胡萝卜素积累以及蛋白质提高的关联性，在此基础上建立蛋白质相互作用调控网络来阐述木薯块根蛋白质含量与有色体类胡萝卜素积累的偶联机制，为培育优质高营养的木薯新品种提供新思路。

木薯是世界重要的粮食作物，但其块根没有蛋白质体，缺少贮存蛋白质的功能，导致木薯块根蛋白质含量普遍较低。而黄心木薯块根含有丰富的类胡萝卜素，且蛋白质含量比普通木薯高出许多倍。木薯块根有色体是类胡萝卜素的载体，但关于类胡萝卜素在黄心木薯有色体中的高积累与有色体是否也可能作为蛋白质积累的载体目前仍不很清楚？为了解木薯块根蛋白质含量和类胡萝卜素积累的关联性，本研究通过利用高压液相色谱分析白心、粉红、黄心、和深黄4种食用木薯品种(系)块根膨大期和成熟期b-胡萝卜素含量，利用qRT-PCR和Western blot方法研究不同木薯品种(系)在不同发育时期与类胡萝卜素积累相关的14种基因和与质体形成关联的4种蛋白质的表达水平，揭示调控黄心木薯块根b-胡萝卜素在木薯块根成熟期高积累的关键基因包括ZDS、PSY2和NCED2等。改进提取白心、粉红和黄心和木薯块根有色体方法，通过iTRAQ方法比较3种木薯全蛋白质变化和蛋白质富集的代谢通路，推测出影响不同木薯品种(系)类胡萝卜素和氮代谢的14种重要差异蛋白质。分析白心和黄心木薯品种块根成熟期皮质和肉质蛋白质含量，并通过研究块根皮质和肉质蛋白质组，解析黄心木薯块根肉质高可溶性蛋白质含量与类胡萝卜素积累的关系；采用体积排阻色谱法高压液相色谱分析黄心木薯F1代37个品系块根类胡萝卜素和蛋白质的色谱图，验证了类胡萝卜素积累和蛋白质含量的偶联关系。分析干旱胁迫和ABA处理对黄心木薯块根b-胡萝卜素含量的变化，研究不同处理间类胡萝卜素合成相关的14种基因和7种蛋白质表达水平变化；测定干旱胁迫下黄心木薯块根脱落酸、茉莉酸甲酯、生长素和赤霉素4种內源激素变化，利用蛋白质组学研究干旱胁迫影响木薯块根有色体全蛋白质变化，推测影响b-胡萝卜素积累的关键调控因子。在此基础上利用52个关键蛋白质构建蛋白质相互作用调控网络来阐述木薯块根蛋白质含量与有色体类胡萝卜素积累的偶联机制，为培育优质高营养的木薯新品种提供新思路。