贵紫小麦籽粒花青素沉积规律及其紫粒基因定位研究

Guizhou purple wheat is rich in anthocyanins. Anthocyanin is a class of plant secondary metabolites, which contribute to improving plant stress tolerance such as cold, drought, pests and diseases, and to prevent or slow down human from suffering chronic diseases such as cancer, and diabetes. Research of anthocyanin accumulation and related colour genes mapping in purple wheat has focused almost exclusively on the pericarp and testa of caryopses. In this study, we selected Guizhou purple wheat with purple grains, using means such as observation of grain sections, dynamic tracking measurement of related physiological and biochemical indexes, SSR markers, cloning and expression analysis of key enzyme genes in anthocyanin biosynthetic pathway, to ascertain its anthocyanin deposition law and colour genes loci. Since wheat is the main food crops, so this study will provide the possibility of consumption of flour food with rich anthocyanins for human，and the scientific basis and genetic resources for purple wheat quality breeding, which will be significance to human health diet and wheat quality breeding.

贵紫小麦籽粒属于紫粒小麦，富含紫色花青素。花青素是植物抵御逆境如低温、干旱、病虫害等和使人类免受或减缓慢性疾病如癌症、糖尿病等的一类植物次生代谢产物。有关紫粒小麦籽粒花青素的积累及其性状基因定位的研究几乎都集中在果皮及种皮上。本项目中选用籽粒为紫色的贵紫小麦品系，通过切片观察、相关生理生化指标动态跟踪测定、SSR分子标记、花青素合成途径关键酶基因克隆及表达分析等手段，旨在探明贵紫小麦籽粒花青素沉积规律及其紫粒基因的染色体定位。由于小麦是人类的主要粮食作物，所以本研究将为人类食用富含花青素的面制食品提供可能，为优质紫粒小麦品种的选育提供种质资源及科学依据，对人类健康饮食及培育优质小麦品种都具有重要意义。

紫粒小麦能积累花青素，花青素的生物合成受植物自身的生长发育状况、物质代谢水平和环境因素影响。本研究以贵紫麦1号为试验材料，针对农作物的几大非生物逆境因素（如干旱、高温、低温、盐、机械损伤）以及对次生代谢影响较大的植物生长调节剂MeJA，利用人为设置的非生物逆境与自然逆境相结合的方式，探索贵紫麦1号籽粒在正常情况下的花青素合成和积累规律、逆境下的花青素合成分子机制、自然条件下的花青素含量与环境因子的变化关系：逆境信号可以增加贵紫麦1号籽粒花青素的积累和诱导贵紫麦1号籽粒中花青素合成相关基因的差异表达；并通过结构解剖、理化分析、转录组分析、基因表达分析等的系统研究：明确了贵紫麦1号籽粒中花青素主要在灌浆中后期进行积累，储存在种皮、果皮的表皮细胞和横细胞中，其成分主要为矢车菊素和芍药素；在其籽粒灌浆中后期，合成酶基因GzPAL、Gz4CL、GzCHS、GzCHI、GzF3H和GzANS，修饰酶基因GzOMT、Gz3GT、Gz5,3GT和Gz5AT，以及调控基因GzMYB-7D1和GzMYC-2A1在25 dpa和35 dpa时的表达上调；GzANS、Gz3GT、GzMYB-7D1和GzMYC-2A1可能是最重要的结构基因和调控基因，因为它们分别上调了45.74~28.54、765~384、419.00~574.00和5.34~29.05倍，GzMYB-7D1和GzMYC-2A1的表达模式与花青素含量的增加及籽粒颜色的改变一致，结构基因和调控基因在此时期的上调表达是其能够积累花青素的内在原因；进而揭示逆境信号增加贵紫麦1号花青素合成的分子机制，为进一步研究其他逆境信号增加花青素合成的分子机制提供了参考依据，为紫粒小麦的抗逆分子育种提供了新的线索。再将贵紫小麦（贵紫麦1号、贵紫麦4号）分别与普通白粒小麦（贵农19、贵农30）正反交及回交，构建不同杂交世代遗传群体，通过对不同杂交世代紫粒性状统计分析，探明了贵紫麦1号小麦的紫粒性状受两对显性互补基因控制。利用BSA策略结合基因芯片和SSR标记技术，将控制贵紫麦1号紫粒性状的两对基因成功定位在2A染色体716-759Mb和4B染色体611-661Mb区间内，探明了贵紫小麦紫粒控制基因的遗传规律，为小麦紫粒基因的精细定位和候选基因的表达分析研究奠定良好基础。