控制红掌佛焰苞颜色变异的花青苷合成关键基因的多态性分析

红掌是仅次于热带兰的第二大热带花卉商品，其佛焰苞的呈色机理仍有许多未解之谜。申请者在研究不同颜色佛焰苞中的花青苷和其它类黄酮成分的基础上，推定了佛焰苞中类黄酮的生物合成途径，推测花青苷合成途径上的F3'H、DFR和ANS等基因是控制佛焰苞颜色变异的关键酶基因。本项目拟克隆F3'H基因，研究F3'H与已知序列基因DFR和ANS在不同颜色佛焰苞中的表达量，结合佛焰苞颜色和类黄酮化学表型，确定控制颜色变异的关键酶基因。从不同颜色佛焰苞中克隆这些基因，通过研究其在序列结构、表达水平和蛋白功能水平的多态性，从花青苷合成途径上解释佛焰苞颜色变异的原因。预期本研究可以回答如下问题：（1）控制佛焰苞颜色变异的关键基因究竟是什么？（2）基因多态性如何影响颜色表型？本研究将为阐明红掌花色形成的分子机制奠定基础，并为其花色分子育种提供思路，同时也为其它具有苞片的观赏植物甚至彩叶植物的相关研究提供参。

红掌佛焰苞颜色变异丰富，其呈色机理有许多未解之谜。通过对不同颜色佛焰苞类黄酮组成的分析，我们推测花青素苷合成关键酶DFR，ANS和F3'H在红掌佛焰苞颜色变异中起着重要作用。本项目首先从花色化学的层面，鉴定了不同颜色佛焰苞中类黄酮色素的结构，探讨了类黄酮组成和含量与佛焰苞颜色的关系。花青素苷矢车菊素和天竺葵素的3-芸香糖苷是佛焰苞呈现红、粉红和紫红色的主要因素。黄酮醇和黄酮影响佛焰苞的黄色色调，白色和绿色佛焰苞检测不到花青素苷，而是叶绿素使佛焰苞呈现绿色。从关键酶基因序列和转录水平上分析了导致佛焰苞颜色变异的主要内因。不同颜色品种的DFR以及ANS的内含子剪切位点保守。绿色品种‘Midori’除正常的DFR转录本外，还存在截短的转录本，缺失底物结合区域，推测是其不能合成花青素苷的原因之一。ANS和F3′H未发现重要功能区域的异常。分析了关键酶基因CHS、F3H、DFR、ANS和F3'H在佛焰苞发育不同阶段的表达模式，解析了关键酶基因表达与花色素含量和佛焰苞颜色形成的关系。CHS表达水平的提高有利于佛焰苞中总黄酮含量的增加，使得佛焰苞颜色更鲜艳。DFR和ANS对于影响佛焰苞颜色深浅具有重要作用；F3'H对于影响红、橙、粉红、紫红等色调至关重要。ANS表达量在绿色和白色佛焰苞各发育阶段明显比红色和浅粉红色品种低，且在冬季低温胁迫下，白色品种‘Acropolis’佛焰苞也能合成和积累花青素苷，推测其受转录因子调控。此外，对‘Arizona’颜色突变佛焰苞的研究发现，突变部位多个关键酶基因表达量都有不同程度的下调，很可能是转录因子基因发生了突变。且生理试验证明，佛焰苞中花青素苷积累受低氮、钙和蔗糖信号的诱导，近一步表明转录因子参与调控红掌花青素苷合成。本研究初步筛选出1个可能调控佛焰苞花青素苷合成的转录因子基因。综上，我们可以从花青素合成途径上解释佛焰苞颜色变异，即CHS是合成途径上的总开关，控制不同颜色佛焰苞的类黄酮色素合成量和颜色深浅。DFR、ANS和F3'H主要影响佛焰苞中花青素所呈现的颜色，F3'H作为分支途径的控制开关，调控红、橙、粉红、紫红等色调。红掌花青素苷合成途径受转录因子的调控，根据各基因的表达模式，推测DFR、ANS和F3'H分别由不同的转录因子基因调控。