黑果枸杞果实成熟介导花青素合成的分子机制解析

Solanaceae fruits are favorable and edible foods because of its richness in nutrients including anthocyanins. Although the biosynthetic and regulatory mechanism of anthocyanin pathway is clear, it remains unclear the molecular mechanism how fruit ripening modulates anthocyanin biosynthesis. As an important medicinal herbs, Lycium ruthenicum Murr. fruits increasingly intensify the biosynthesis and accumulation of characteristic, bioactive ingredients anthocyanins during fruit ripening. With the purpose of illuminating the network regulation mechanism introducing metabolic flux into anthocyanin pathway in L. ruthenicum fruits at the metabolic pathways level, this project intends to figure out the differentially expressed genes, proteins, and metabolites in ripening fruits using transcriptomics, proteomics, metabolomics and bioinformatics methods. In addition, candidate gene(s) linking fruit ripening and anthocyanin biosynthesis will be identified using systematic biology and quantitative real-time PCR methods. The novel function(s) of candidate gene(s) will be characterized using RNAi transgenic methods, which may further pinpoint the regulatory mechanism of fruit ripening controlling anthocyanin biosynthesis. Thus, this project will potentially provide an important gene resource for genetic improvement of horticultural crops including Chinese wolfberry.

茄科植物果实为人们提供了大量的、富含花青素等营养成分的可食性食物。尽管，花青素代谢途径的合成调控已经比较清楚；但是，果实成熟介导花青素合成的分子调控机制尚不明晰。茄科药用植物黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr.)果实成熟进程中不断加剧合成、积累特征性药效活性成分花青素。本项目拟以不同发育时期黑果枸杞果实为材料，采用转录组学、蛋白组学、代谢组学和生物信息学方法，研究黑果枸杞果实发育与成熟过程中的差异表达基因、差异表达蛋白和差异表达代谢物；阐明黑果枸杞果实代谢流流向花青素途径的代谢途径网络调控机制。采用系统生物学、实时定量PCR和RNAi转基因等方法，筛选、鉴定黑果枸杞果实成熟介导花青素合成的关键基因及其功能；为揭示果实成熟过程参与花青素合成的分子调控机制奠定基础。最终，为枸杞及园艺作物新品种遗传改良提供重要的基因资源奠定基础。

黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.）果实富含特色功效花青素衍生物。尽管花青素代谢途径的合成调控已经比较清楚，但是果实成熟介导花青素合成的分子调控机制尚不明晰。本项目以不同成熟期果实为材料，开展了亚细胞结构观察、转录组学、蛋白组学、代谢组学、生物信息学和遗传转化等研究。我们的研究结果表明，黑果枸杞果实大小、重量与花青素含量呈正相关性。这表明果实成熟过程确实调控花青素合成积累。亚细胞结构分析表明，随着果实发育成熟，粗面内质网囊泡化愈发丰富。这也有利于花青素合成相关结构蛋白定位于内质网促进花青素合成。多组学研究结果均表明，类苯丙烷代谢途径，类黄酮代谢途径和花青素代谢途径都显著富集。值得注意的是，类黄酮代谢和花青素代谢相关的基因和蛋白（例如CHS，F3H，F3’5’H，DFR，ANS，UF3GT，AT等）表达都随着果实成熟而不断显著提高。利用WGCNA分析方法，本项目已经挖掘了一批重要的候选基因（LrNAC83, LrTCP4, LrJAZ3, LrLOB1, LrERF1, LrERF2, TF1和TF2等）。qPCR结果也表明，这些候选基因随着果实成熟呈现上调表达。值得注意的是，Y1H结果表明，候选基因TF1既结合花青素合成基因F3’5’H启动子，又结合果实成熟基因PG启动子。此外，超量表达候选基因TF2的愈伤组织呈现出紫色表型。这些结果暗示，本项目挖掘到的候选基因可能既参与果实发育又调控花青素合成积累。为了弥补由于转基因植株移栽成活率较低延误研究进展，本项目还成功建立了黑果枸杞毛状根转化系统，以辅助研究基因功能。本项目相关研究结果以及技术积累，为后续深入研究枸杞果实次生代谢调控的分子机理奠定坚实基础。项目执行以来，发表SCI论文6篇和CSCD论文1篇，申请专利2项，正在培养研究生4人，其中博士生1名，硕士生3名。