白菜花青苷和黄酮醇苷自然变异和全基因组关联分析

Brassica rapa has the largest consumption in China. Its nutritional quality has been concerned increasingly. Anthocyanins and flavonol glycosides, which are important plant secondary metabolites, have several bioactivities such as anti-oxidation,anti-cancer and preventing heart disease. Baseed on whole genome re-sequencing and expression profile analysis of 95 cultivars, molecular structures and contents of anthocyanins and flavonol glycosides will be analyzed to elucidate their natural variation in various cultivars of B. rapa by using HPLC-DAD and HPLC-UV-MS/MS. Genome-wide association study (GWAS) on the accumulation characteristics of anthocyanins and flavonol glycosides will be performed based on re-sequencing data. Key gene will be identified based on the correlativity between the gene expression levels and the content of these metabolites. Metabolic regulatory networks of these two groups of metabolites in B. rapa will be developed. This research provides a theoretical basis to improve the qualities of B. rapaand to breed new cultivars containing high contents of anthocyanins and flavonol glycosides.

白菜是我国消费量最大的蔬菜，其营养品质日益受到关注。花青苷和黄酮醇苷作为重要的植物次生代谢产物，具有抗氧化、抗癌和改善心血管等生理功效。本研究在白菜全基因组测序及95份材料重测序和表达谱分析的基础上，利用HPLC-DAD和HPLC-UV-MS/MS技术，研究白菜中花青苷和黄酮醇苷的分子结构和含量，明确它们在不同栽培类型中的自然变异特点。基于重测序数据，进行白菜花青苷和黄酮醇苷积累特性的全基因组关联分析，并结合通过基因表达量与两类物质含量的相关性分析，确定控制花青苷和黄酮醇苷合成的关键基因，建立白菜中这两类物质的代谢调控网络。本项目为改良白菜类蔬菜的营养品质，培育高花青苷和黄酮醇苷含量的白菜新品种提供理论依据。

白菜类蔬菜(Brassica rapa L. syn. Brassica campestris)是我国重要的蔬菜和油用作物，并在我国农业生产和居民膳食结构中占有重要地位。花青苷和黄酮醇苷是黄酮类植物次生代谢产物。研究表明这两类物质具有抗氧化、抗肿瘤和改善心血管等多种生物学和药理学作用。研究植物花青苷和黄酮醇苷的遗传积累机制和培育这两类物质含量高的果蔬已经成为热点。.本项目以多种栽培类型的95份白菜类蔬菜构成的自然群体为研究材料。利用UFLC-UV-Q-trap-MS/MS和UPLC-QTOF-MS技术对白菜中花青苷和黄酮醇苷类物质进行了定性以及半定量分析，揭示了这两类次生代谢产物在白菜中的自然变异特点。利用比较基因组学的方法对白菜中花青苷和黄酮醇苷合成基因进行鉴定；通过表达谱与代谢谱数据相关性和全基因组关联分析，鉴定与白菜黄酮醇苷各组分和总量相关的基因。重要结果如下：.1. 利用UFLC-UV-Q-trap-MS/MS和UPLC-QTOF-MS技术，从三种紫色白菜中共鉴定出23种花青苷，其中紫菜薹和紫色小白菜含有17种不同酰基化取代的矢车菊素类花青苷；紫芜菁检测出6种不同酰基化取代的天竺葵素类花青苷。在95份白菜中共鉴定出种27种黄酮醇类化合物，包括15种山奈酚苷、10种槲皮素苷和2种异鼠李素苷。不同白菜材料间黄酮醇苷的含量存在显著差异。.2. 在白菜基因组测序的基础上，利用比较基因组学根据拟南芥花青苷和黄酮醇苷生物合成基因在白菜中鉴定出73个同源基因。研究发现，花青苷和黄酮醇苷合成基因在白菜3倍化复制后发生了过保留；白菜花青苷和黄酮醇苷合成结构基因主要通过全基因组和串联重复复制方式扩增，更多的上游结构基因被保留下来；通过比较花青苷和黄酮醇苷合成正调节与负调节基因的扩增与保留情况，发现负调节基因在白菜中扩增与保留的比例更高。.3. 利用黄酮醇苷定性定量分析的代谢谱数据、基因数字化表达谱数据和全基因组重测序鉴定出的高密度SNP变异结果，通过表达谱与代谢谱相关性分析和全基因组关联分析鉴定了与白菜中黄酮醇苷类物质合成相关的基因。.因此，本项目为研究白菜花青苷和黄酮醇苷合成关键基因和遗传机制奠定基础，为白菜类蔬菜品质的改良和培育花青苷和黄酮醇苷含量高的白菜新品种提供理论依据。