可见光和UV-B协同诱导梨果皮花青苷合成的光信号应答分子机制研究

Red coloration on in pear peel is known to depends on the accumulation of anthocyanin, and it requries high-intensity irradiation.Our prelimineray study showed that visible light and UV-B synergistically induced anthocyanin accumulation in red pear. Current researches on the molecular mechanism of red pear coloration mainly focused on regulatory genes and structual genes involved in anthocyanin biosynthesis, but less attention has paid on the upstream light signal transduction. Plant photoreceptors receive light signal, and transfer the signal to regulate the biosynthesis of downstream procedures including anthocyanin, molecular basis of light mediating anthocyanin accumulation has been clarified in model plant, but mechanism of visible light and UV-B synergisitically inducing pear coloration has not known yet. In this project, typical red pears including red Chinese sand pear and European pear with different coloration patterns will be used to study molecular mechanism of coloration in red pears in response to light signal. Visible light and UV-B will be used to induce anthocyanin accumulation in red pears. Key candidate genes participating in light signal transduction pathway related to anthocyanin biosynthesis will be cloned, level of physiological indicators, gene expression and protein abundance will be determined, and interaction pattern of key genes will be investigated. The research will be helpful to clarify the light regulation mechanism of anthocyanin biosynthesis in red pears, to determine the key regulatory sites, which will enrich the theory of molecular mechanism of plant anthocyanin biosynthesis and provide thoretical basis for breeding new red pear cultivars by molecular methods and develop technology for good coloring regulation.

红梨着色依赖果皮内花青苷的积累，需要高强度的光照，我们前期的研究表明可见光和UV-B可协同诱导红梨果皮花青苷的积累。目前针对红梨着色分子机制的研究多集中于花青苷合成相关的调节基因和结构基因，而对上游光信号转导路径关注较少。光信号作用于植物光受体，并通过信号转导途径向下游传递调控花青苷合成，相关机理已在模式植物上阐明，但还没有理论可以解释可见光和UV-B协同促进红梨着色的现象。本研究拟以具有不同着色模式的红梨品种为试材，通过调节可见光和UV-B来诱导红梨差异着色，通过生理指标测定、关键光信号路径基因克隆、基因表达水平检测、基因之间的互作模式探索和相关蛋白丰度检验等方面探索可见光和UV-B协同诱导红梨花青苷合成的分子机理。研究结果将有助于阐明红梨花青苷合成的光信号应答分子机制，明确关键调控位点，丰富花青苷合成的生物学理论，为利用分子技术手段培育红梨新品种和开发着色调控技术提供理论支撑。

光是梨花青苷合成的不可或缺的外因和信号，在模式植物上的研究表明，UV-B和可见光协同调控花青苷的合成。我们首先在不同遗传背景的梨上进行了不同光质（紫外及可见光）调控红梨着色的效应研究，发现砂梨（P. pyrifolia）背景的品种单独使用UV-B 并不能使果实着色，而可见光或蓝光可以使果实很好着色，UV-B+蓝光一定程度上加深着色。因为我们在人工光照诱导着色的研究中主要用的是只用蓝光就可以很好着色的‘红早酥’，所以我们的精力主要集中在蓝光信号通路中的基因与其他基因互作。我们在‘红早酥’梨上克隆了光受体及下游元件基因，如蓝光受体CRY1和CRY2及下游核心元件COP1，HY5，HYH等。蓝光受体CRY1和CRY2在光照处理过程中表达变化量不大且在蓝光和红光处理中的表达模式类似；COP1的表达量变化也不大。HY5在见光后迅速上调，且在蓝光下的上调倍数高于红光，说明光质的信息可能通过HY5进行传递。通过酵母双杂交的方法验证了梨的光信号传递基因与其他植物上的相似性。在此基础上，我们筛选到了数个与花青苷积累相关的BBX基因如BBX16、BBX18、BBX21。PpBBX18可以通过与PpHY5的结合来激活PpMYB10的表达，而另外一个BBX基因PpBBX21可能通过与PpBBX18竞争结合PpHY5从而抑制PpMYB10的表达。因此PpBBX18可以促进拟南芥，梨愈伤组织，梨果实的花青苷合成，是花青苷合成通路的正调控因子；而PpBBX21则起到相反的作用，是花青苷合成通路中的抑制因子。另外我们也证明了PpBBX16是花青苷合成的正调控因子。我们也发现白光条件下1-MCP、MJ+1-MCP处理采后果实都能显著促进‘红早酥’等梨果皮花青苷积累，同时发现MJ、ETH、MJ+ETH对‘早酥红’梨果皮花青苷积累并无显著效果，与对照相比花青苷含量反而有所下降。激素处理的样品的转录组分析发现了差异表达的28个MYB和22个ERF。已经发现Pp4ERF24 和 Pp12ERF96与MYB114互作促进了蓝光诱导的果实花青苷合成。我们也利用套袋遮光处理，研究和挖掘光响应基因及着色相关基因，为后续的进一步研究提供了可选择的基因。本研究的结果丰富了植物花青苷合成途径中光响应通路信号基因的知识，为未来光信号和激素信号通路连接的研究奠定了基础，本研究挖掘到的BBX等与梨花青苷积累相关的基因将为未来红