单瓣跳枝梅花红白嵌合花色形成的分子机制

Flower color is one of the important quality characteristics and significant traits in variety identification of ornamental plants. High ornamental value and novel flower color has become the pressing needs with flourishing flower industry and improving quality of life. Therefore, Prunus mume ‘Danban Tiaozhi’ possesses the important ornamental and scientific research value with red and white color chimeric flower. However, the molecular mechanism is still unclear. Based on the separation of different color tissue in flower petal and technical methods of high performance liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS), transcription sequencing and bisulfate-sequencing, we will identify the differences of pigment between different color tissues at first. Second, we will analyze the differentially expressed genes and the regulation pathway in different color tissues. And then we will detect the genomic cytosine methylation status and differentially methylated regions (DMRs). At last, we will explore and locate transposons, and uncover the relationship between transposons and genomic DNA methylation and gene expression. Surely, these results will give new insights into the regulation mechanisms of flower color chimera in Prunus mume, and also provide theoretical basis for oriented genetic improvement of flower color of ornamental plants.

花色是观赏植物的一个重要品质特性，也是新品种鉴定的重要性状之一。随着花卉市场的蓬勃发展和生活品质的提高，具有高观赏价值的新奇花色已经成为人们的迫切需求。跳枝梅花花朵为红白嵌合色，具有重要观赏价值和科学研究价值，然而关于梅花嵌合体形成的分子机制并不清楚。本项目以梅花‘单瓣跳枝’不同色彩花瓣组织为样本，拟采用高效液相色谱-质谱联用、转录组测序与甲基化组测序等技术手段研究以下内容：（1）鉴定不同色彩花瓣组织主要成色物质的异同；（2）分析不同颜色花瓣组织中差异表达基因及调控途径；（3）分析基因组胞嘧啶的甲基化状态及差异甲基化区域（differentially methylated regions，DMRs）；（4）发现并定位转座子，检测其甲基化状态与模式，及其对所插入基因序列表达模式的影响。通过以上研究，旨在以创新的角度解析梅花嵌合花色形成的分子机制，为观赏植物花色遗传改良奠定一定理论基础。

梅花是我国传统名花，其花色是重要的观赏品质特征之一。‘单瓣跳枝’梅花是同一植株上开白、红色2种颜色花的品种，具有较高观赏价值和开展花色遗传改良的科研价值，但嵌合花色形成的分子机制仍不清楚。本项目以DNA甲基化表观遗传修饰机制研究为切入点，解析表观遗传变异、转座子的转座对基因表达量的调控作用，以期解析梅花嵌合花色形成的分子机制。主要取得以下研究结果：. 1，阐明‘单瓣跳枝’梅花白、红色花瓣中重要差异色素为矢车菊素3，5-二葡萄糖苷、矢车菊素-3-O-葡萄糖苷与芍药素-3-O-葡萄糖苷。. 2，预测森林草莓、苹果、桃、梅花和桃基因组转座子共19596个，构建了蔷薇科植物转座子数据库。梅花基因组含转座子2633个，长度占基因组总长43.8%。LTR类转座子数量最多，主要分布于基因间区，在基因本体区分布较少。. 3，开展长非编码RNA测序分析，在预测的16320个lncRNA区域共检测到2958个lncRNA附近有1553个转座子位点，其中16个转座子分布在16个差异表达lncRNA附近。对这些差异表达lncRNA靶基因进行功能注释，发现其参与MYB、bHLH、WD等转录因子和UDP-葡萄糖转移酶调控。. 4，构建了白、红色花瓣全基因组DNA甲基化图谱，胞嘧啶甲基化率为8.8~10.95%，3种甲基化模式（mCG、mCHG、mCHH）密度在基因组不同结构域有相似的分布趋势，但白色花瓣基因组甲基化水平显著高于红色花瓣。. 5，在白、红色花瓣全甲基化组中检测到13468个DMRs区域，部分DMRs锚定了506个DEGs基因本体区域或启动子区，这些DEGs可能参与类黄酮合成、次生代谢物生物合成、苯基丙酸类合成及植物激素信号转导通路。. 6，在转座子区，共预测到1833个DMRs，其中197个DMRs被定位在196个转座于106个DEGs（这些差异基因被DMRs锚定）的转座子上。这些差异基因主要包括PmUGFGT（Pm008680）、PmUGT79B6（Pm031359）和PmDFRA（Pm013782）等。. 以上结果表明插入DEGs的转座子可能影响基因表达，并且这些转座子可能被DNA甲基化所修饰。该研究为梅花嵌合花色形成的分子机制研究提供了理论依据，为观赏植物花色遗传改良奠定了基础。