低温胁迫下BR调控辣椒类胡萝卜素代谢的机制及其抗冷性中的作用

Brassinosteroid (BR), as a group of important signal molecules, mediate many crucial process of plant response to stresses. Carotenoids are associated with plant photosynthetic system and redox system, and its biosynthesis is strictly regulated by both internal and external factors. We have studied that BR can improve cellular redox state and the accumulation of carotenoids in pepper. However, the mechanism of BR respond to carotenoid metabolic regulation and the role of carotenoids in response of BR-mediated chilling tolerance in pepper need to be further studied urgently. In this study, we will use VIGS technique to silence BR signal transduction transcription factor BZR1 and carotenoids synthetic key genes Lcyb to determine the molecular roles of BR in response to carotenoid biochemical metabolic pathways and related gene expression regulation pathway during chilling stress in pepper. We will use SSH and LC-MS technique to isolate and identify the related genes and metabolites of carotenoids-mediated low temperature resistance. We can understand the metabolism mechanism and role of carotenoids in response of BR-mediated chilling tolerance in pepper from carotenoid components change, photosynthetic regulation, cellular redox state, regulatory factor and key gene expression. Based on the result, we will explore an effective strategy in BR-mediated stress tolerance of vegetable crops. It will provide theoretical basis for improving pepper chilling adaptability and crop improvement.

油菜素内酯（BR）作为重要的信号分子，调控植物响应逆境胁迫的许多关键环节。类胡萝卜素是植物光合系统和抗氧化系统的重要成员，其生物合成受内外因素的严格调控。申请人研究发现BR可改善辣椒叶片细胞氧化还原状态和促进类胡萝卜素的积累。但BR对类胡萝卜素代谢的调节途径及类胡萝卜素在BR调控辣椒低温抗性中的作用机制尚不清楚。本项目拟以辣椒为材料，利用VIGS技术沉默BR信号转导转录因子BZR1和类胡萝卜素合成关键基因Lcyb，通过比较类胡萝卜素组分变化、光合电子传递、抗冷基因表达和氧化还原状态等差异，建立BR介导的类胡萝卜素代谢相关基因的表达与辣椒耐冷性间的关系。利用抑制消减杂交与液质联用技术，分离和鉴定类胡萝卜素调节的低温抗性相关基因和代谢产物，阐明低温胁迫下BR调控辣椒类胡萝卜素代谢的机制及其抗冷性中的作用，据此建立一条提高蔬菜抗冷性的新途径，在作物改良上有广阔的应用前景。

油菜素内酯（BR）作为重要的植物激素在调控植物响应逆境胁迫中起着重要作用。类胡萝卜素不仅是植物体中重要的色素而且是植物光合系统和抗氧化系统的重要成员。低温作为一个重要的非生物逆境胁迫已经成为世界上最为严重的灾害之一。我们选择设施蔬菜主栽作物辣椒作为研究对象，采用VIGS技术构建以TRV介导的辣椒番茄红素β-环化酶(Lcyb)和芸薹素唑耐受因子1(BZR1)基因TRV-VIGS瞬时沉默体系，通过qRT-PCR检测沉默辣椒Lcyb和BZR1基因表达，并测定沉默株系叶片类胡萝卜素的积累，同时利用iTRAQ技术测定了BR处理低温胁迫下辣椒幼苗的差异蛋白，且详细研究了碳氮代谢情况。结果表明：经过21 d后发现TRV2-PDS侵染辣椒植株叶片出现白化现象，经qRT-PCR检测发现，Lcyb和BZR1基因表达量均显著降低，且两种沉默株系辣椒叶片类胡萝卜素含量显著低于正常对照植株，说明Lcyb和BZR1基因参与辣椒叶片类胡萝卜素的合成。低温胁迫下，辣椒H2O2含量、O2-产生速率、膜脂过氧化物含量显著升高， BR处理后H2O2含量、O2-产生速率、膜脂过氧化物含量显著下降。低温胁迫下， NO3--N含量显著降低，NH4+-N含量显著升高， BR处理后NO3--N含量显著升高， NH4+-N含量显著下降。低温胁迫下导致NR、GS、GOGAT和GDH的活性显著下降，BR处理后， NR、GS、GOGAT和GDH的活性显著升高。低温胁迫导致18种氨基酸显著下降，外源EBR处理后处丙氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸外，其他氨基酸显著升高。通过高通量测序鉴定出了346个差异表达蛋白，其中217个上调表达，129个下调表达。大多数差异蛋白与光合作用、碳水化合物代谢、能量代谢、蛋白质生物合成、氨基酸合成、氧化还原和胁迫防御(抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶)有关。上调的差异蛋白与光合电子转移链、氧化磷酸化、GSH代谢途径、卡尔文循环和信号转导途径有关。