菊花花青素苷代谢途径分支调控研究

There are three anthocyanin biosynthesis pathways in favonoid metabolic ?ux when naringenin is catalyzed by hydroxylases. And the products are cyanidin, pelargonidin and delphynidin. These substances are responsible for red, orange and blue flower colors respectively. Therefore, it is essential for flower diverse color to set up all three biosynthesis pathways. Our previous work revealed that Chrysanthemum morifolium contains only the cyanidin pathway, and is lack of bright red and blue colors due to the blocking of other two branch pathways. While Senecio cruentus, from the same Compositea family, contains these three branches, and consists of colorful cultivars. Trascriptome analysis can help to get different members of control genes on these branch pathways. And the function of different gene member can be revealed and substrate specific gene can be found by enzyme assay. Getting transgenic plants with sense and anti-sense homologous genes, checking gene expression and analyzing the anthocyanins in transgenic plants can help to understand the mechanism of each anthocyanin biosynthesis pathway controlled by substrate specific enzymes, therefore to try if possible to get new genes and to rebuild new branch of biosynthesis pathway in chrysanthemum. Such study would provide effective gene resources for plant molecular breeding of flower color modification.

类黄酮代谢从柚皮素开始产生三个常见的花青素合成分支途径，分别形成矢车菊素、天竺葵素和飞燕草素，进而决定花色呈现红色、桔红色和蓝色等。因此，分支途径的形成是产生理想花色的基础。迄今对调控花青素分支途径形成的机理仍不清楚，限制了花色改良的分子育种。我们前期研究的结果表明，菊花缺少鲜红色和蓝色品系是因为其只有矢车菊素分支途径，而与菊花同为菊科植物的瓜叶菊却拥有三个代谢分支途径，形成了五彩缤纷的花色品系。本研究拟通过对菊花和瓜叶菊转录组研究，获得控制花青素代谢分支途径的关键基因家族的同源序列，对分支点酶的竞争机制和不同分支途径关键酶的底物特异性进行研究，找到可以调控花青素代谢分支途径并具有自主知识产权的关键基因；利用转基因技术表达外源基因并抑制内源基因表达，探讨在菊花中重建天竺葵素和飞燕草素分支途径的可能性。以期为菊花花色改良的分子育种提供依据，为解析花青素代谢分支调控的理论研究提供参考。

矢车菊素苷、天竺葵素苷和飞燕草素苷是高等植物类黄酮代谢的三条重要支路的终产物，其分别决定花朵呈现红色、橙色和蓝色。不同物种往往进化出不同的色素代谢支路。菊花因仅能积累矢车菊素苷，因此缺少蓝色系和鲜红色系品种，这在一定程度上限制了其花色新品种的培育。瓜叶菊是菊科千里光属广泛栽培的观赏植物，其花色变异丰富，具有白色、黄色、粉色、洋红色和蓝色等多个花色品种，是研究高等植物花朵呈色的好材料。本项目执行过程中，我们利用转录组学结合代谢中间产物和终产物分析，对瓜叶菊5种花色品种（白、黄、粉、洋红和蓝色）舌状花呈色的机制进行了分析。色素成分分析结果表明：在白色和黄色品种中没有花青素苷的积累；蓝色、粉色和洋红色花中，主要积累矢车菊素苷、天竺葵素苷和飞燕草素苷，且呈现两种色素同时分布一处的状况。利用转录组技术共分离得到43个编码花青素苷代谢通路的结构基因与调节基因，基因表达分析的结果表明：ScbHLH17和ScCHI1/2编码区的突变，分别导致了白色和黄色花品种无法积累花青素；三个分支酶ScF3’H1、ScF3’5’H和ScDFR1/2对柚皮素的竞争，导致了瓜叶菊中，花青素分支流分别向矢车素苷、天竺葵素苷和飞燕素苷三个方向流动。对ScF3’5’H基因序列分析发现，ScF3′5′H表达与否与其启动子中是否含有招募花青素苷合成相关转录因子的ACE和MRE元件密切相关。通过在粉色菊花品种‘日切桃红’中抑制内源F3’H，并过表达瓜叶菊ScF3’5’H，获得了花色蓝移的转基因株系。我们的研究结果初步解析了瓜叶菊花青素苷分支代谢的调控机制，同时对观赏植物花色转基因育种提供了很好的基因资源，包括上述的ScF3’H、ScF3’5’H和ScDFR。项目实施以来，类及发表研究论文发表SCI论文8篇（其中第一标注4篇），中文期刊7篇（均为第一标注），培养博士6人硕士4人。