拟南芥内质网膜蛋白ROOT HAIR DEFECTIVE 3（RHD3）调控花青素代谢分子机理

Anthocyanins are soluble flavonoids of secondary metabolism, which have various functions in plants. Anthocyanin metabolism was regulated by transcription factors that regulate genes encoded anthocyanins systhesis enzymy. Arabidopsis thaliana ROOT HAIR DEFECTIVE 3 (RHD3) is involved in endoplasmic reticulum morphology restructure and have closed relationship with plant development. Nitrogen starvation induced rhd3 anthocyanin accumulation，which may imply there are relations between endoplasmic reticulum and anthocyanin metabolism. In this project, transcriptional profiling analysis will be used to identify different gene expression between Col and rhd3, then, propose a model of anthocyanin regulation mechanism depend on RHD3. While, correlate analysis nitrogen starvation induced anthocyanin between Col and rhd3 and the function of protein interaction with RHD3, elucidate anthocyanin accumulation mechanism involved by RHD3, which may imply that endoplasmic reticulum has some important role on anthocyanin metabolism regulation. The results of project can provide a new field to realize anthocyanin metabolism regulation and a support for application on flower and colorful plant breeding using genetic engineering and cellular engineering.

花青素是植物次生代谢产生的水溶性黄酮类色素，有重要生理作用。多种转录因子调控花青素合成通路结构基因的表达，调节花青素代谢。拟南芥内质网膜蛋白ROOT HAIR DEFECTIVE（RHD3）参与细胞内质网形态构建，与植物生长发育紧密相关。研究发现，低氮诱导，突变体rhd3过量积累花青素。这是否意味着，植物中存在通过内质网调控花青素代谢的途径？本项目拟以拟南芥rhd3为实验材料，通过分析低氮诱导后拟南芥野生型Col、rhd3转录组变化，结合Col、rhd3花青素种类及含量差异及RHD3互作蛋白功能分析，深入研究拟南芥RHD3调控花青素代谢的分子机理，揭示潜在的内质网与花青素代谢的调控关系，为阐明花青素代谢网络提供新视野，为后期利用基因工程及细胞工程进行植物花色及彩色化育种提供依据。

花青素是植物产生的黄酮类次生代谢产物，发挥多种生理作用。环境因子通过影响植物激素、转录因子表达水平调控花青素合成通路中结构基因的表达，实现对花青素代谢的调控过程。拟南芥ROOT HAIR DEFECTIVE3（RHD3）为内质网膜结构蛋白，突变体rhd3在低氮、低磷、高糖、高钠胁迫下幼苗下胚轴均可过量积累花青素。难道植物中内质网可以参与花青素调控？调控过程如何发生？分子机制是什么？这些都是有趣的科学问题。本研究以低氮为诱导因素，利用转录组、代谢组技术，推测RHD3介导的拟南芥幼苗花青素积累的分子调控模式。结合突变体表型分析，qPCR及酵母双杂交技术，阐释RHD3参与的拟南芥花青素代谢分子调控过程。结果表明：（1）低氮诱导后，Col-0及rhd3中，参与苯丙烷代谢、乙烯、GA信号转导及部分转录因子的表达趋势不同，推测RHD3可通过部分参与乙烯、GA对花青素合成的负调控过程，影响转录因子表达水平，进而调节花青素合成通路中结构基因的表达量，实现对花青素代谢的调控；（2）乙烯、GA信号通路在低氮诱导花青素积累过程中起负调控作用。rhd3中乙烯信号转导通路EIL1的下调，使乙烯的抑制作用减弱；rhd3中催化GA失活的基因GA2ox2上调，信号转导过程中DELLA成员GAI、RGA、RGL1、RGL2以及RGL3上调，使GA抑制作用在rhd3中减弱。试验证明RHD3通过影响乙烯、GA对花青素的负调控作用，实现对花青素含量的调控；（3）BT2在低氮诱导的花青素积累中起负调控作用，可与PAP1结合。RHD3突变，BT2表达量降低，故减弱了BT2参与的对花青素合成的抑制作用。综上所述，内质网膜蛋白RHD3通过部分影响植物激素乙烯、GA及转录因子BT2对花青素合成的抑制作用，实现对花青素的调控。..