蔗糖转运蛋白调控黑莓果实着色过程中花色苷合成与积累的作用机制研究

Blackberry (Rubus L.) is an important small berry type of fruit tree. Anthocyanins in blackberry fruits are natural pigments and have a variety of nutrition, pharmacology and health care functions. As one of the most important secondary metabolites in plants, the study of anthocyanin biosynthesis related structural genes has made significant progress in plants, but little is known about the role and mechanism of sucrose signaling in the regulation of anthocyanin accumulation. In our earlier study, we analyzed the sucrose transporter (SUT) gene family which has a close relationship with sucrose transportation in blackberry based on transcriptome sequencing data and identified two SUT genes named as RuSUTs. In this work, we intend to compare the components and contents of sugar and anthocyanin in blackberry cv. Boysenberry during different development stage. The interactive relationship between sucrose transportation and anthocyanin biosynthesis during the fruit ripening can thus be confirmed. Afterwards, the expression patterns of the related RuSUTs genes are analyzed correspondingly and the critical candidate genes can be determined. Then, we intend to employ subcellular localization, yeast assay system, gene silencing and gene overexpression approaches to study the regulation function of RuSUTs in anthocyanin biosynthesis. These results will be able to clarify the key roles of the RuSUTs genes in revealing the regulation mechanism of blackberry fruit anthocyanin accumulation. This study will provide potent theoretical basis for quality improvement of blackberry.

黑莓是悬钩子属一类重要的小浆果类果树。花色苷是黑莓果实中重要的天然色素，具有多种营养、药理和保健功能。作为一种重要的植物次生代谢产物，花色苷的生物合成研究已取得很大进展，但是蔗糖信号参与花色苷合成调控的研究却鲜有报道，而黑莓中至今未见相关报道。项目组前期基于黑莓转录组数据分析了其与蔗糖转运调控密切相关的蔗糖转运蛋白基因，初步鉴定得到两个家族成员，命名为RuSUTs。本研究拟对黑莓品种Boysenberry不同发育时期叶片和果实中糖和花色苷的组分与含量的变化规律进行比较，明确蔗糖转运调控与花色苷合成的关系。继而，通过对RuSUTs表达分析，进一步筛选可能的候选基因，通过亚细胞定位、酵母蔗糖装载实验、基因沉默、基因过表达等方法研究RuSUTs对黑莓花色苷生物合成的作用机制。本项目拟在探索RuSUTs调控黑莓花色苷合成与积累的特异机制，为黑莓果实发育和品质改良提供理论基础。

黑莓果实中花色苷含量丰富，具有重要的生物和抗氧化活性，因此，黑莓花色苷合成和积累相关机制的研究具有重要意义。目前花色苷的合成途径已经研究的很清楚。然而花色苷的合成和积累不仅受其代谢途径的调控，还受到其他外在因子的调控。糖是植物体内进行一切生理活动的基础，在果实的生长和着色过程中，糖为花色苷的合成提供能源，是花色苷合成所必须的底物，同时糖也是一种重要的代谢调节因子，在调控基因表达和植物生长发育过程中，具有重要的信号转导作用。本项目以黑莓品种Boysenberry为实验材料，在果实转色至成熟过程中对黑莓叶片中的糖类物质含量、果实中的糖类物质和花色苷类物质含量进行了测定和比较分析，揭示了糖类物质和花色苷之间存在协同变化的关系，两者在33-39天，即果实成熟后均存在一个迅速增长的小高峰。基于前期黑莓转录组数据分析获得两个与蔗糖转运调控密切相关的蔗糖转运蛋白基因RuSUT1和RuSUT2，对其进行生物信息学分析和基因表达量研究发现，RuSUT1和RuSUT2分属于SUT4和SUT2两个亚家族，其基因表达量和花色苷含量也存在协同变化的关系，研究认为这两个基因在调控花色苷的合成方面具有重要作用。实验对这两个基因构建了正义和反义载体并通过转化烟草、黑莓和番茄验证了这两个基因具有提高蔗糖和花色苷含量，促进植物提早开花的功能，表明其可能具有促进黑莓果实成熟，同时促进随果实成熟而不断增加的花色苷含量积累的调控功能。本项目的实施初步细致解析了蔗糖信号与花色苷合成代谢之间的关系，阐明了蔗糖转运蛋白对花色苷的调控作用，为悬钩子类浆果果实的花色苷代谢机理揭示提供了理论依据，为果实的品质改良提供理论基础。