百合单萜类物质合成关键酶基因的克隆与功能分析

Floral scent is one of the most important appealing trait for ornamental plants. Lily is a good material for the study of floral scent for its strong smell. Monoterpenoids are the major compounds of the aroma of scented lilies, but key genes involved in monoterpenoids biosynthesis pathway is unclear in lilium, the same as their function. Study on the key function of main genes and regulatory site involved in monoterpene metabolic pathways will be have important theoretical significance and application value for resolving floral scent metabolic pathways and regulatory mechanism of lilies. Based on preliminary studies on lilies fragrant substances, the key genes on monoterpene biosynthesis in Lily（DXS，DXR，TPS）will be cloned from Lilium ‘Siberia’ by homology cloning. Tissue-specific, developmental, and rhythmic expression of these monoterpene synthase genes in different lily varieties will be tested by qRT-PCR, combining with the emission rhythms of monoterpenoids to analyze the main functions of these genes in monoterpene metabolic pathways. The purified protein for specific substrate catalytic reaction in vitro test the function of key genes. Moreover, a transient expression assay using L. ‘Siberia’ petal protoplasts and transfermation of petunias to verify the function of these key synthesis genes on monoterpene biosynthesis. This study will provide basis for better understanding the floral scent metabolic pathway, and will be useful for scent-targeted breeding by genetic engineering.

花香是观赏植物的重要观赏性状之一，百合花香性状突出，单萜类物质是其主要花香成分之一，但百合中这类物质生物合成途径中关键基因和功能尚不明确。研究单萜类物质合成的关键基因及其功能，明确单萜物质代谢途径的限速位点，对解析百合花香代谢途径及调控机理具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟在前期对百合花香成分及释放部位的研究基础上，克隆百合单萜类物质生物合成途径中关键酶基因（DXS，DXR，TPS），通过荧光定量PCR技术检测这些基因在不同发育时期、不同组织及不同品种间的表达规律，结合单萜类物质释放规律分析基因表达与单萜类物质合成的关系；并通过纯化蛋白对特异底物催化反应，百合花瓣原生质体瞬时表达检测以及矮牵牛转基因验证，进一步解析关键基因的功能。通过项目实施可以明确百合单萜类物质合成的关键酶基因及其功能，为阐明百合单萜类花香物质合成与调控的分子机制及通过基因工程手段改良百合花香提供理论支持。

花香是观赏植物的重要观赏性状之一，百合花香性状突出，单萜类物质是其主要花香成分之一，但百合中这类物质生物合成途径中关键基因和功能尚不明确。研究单萜类物质合成的关键基因及其功能，明确单萜物质代谢途径的限速位点，对解析百合花香代谢途径及调控机理具有重要的理论意义和应用价值。本项目在前期对百合花香成分及释放部位的研究基础上，利用同源克隆的方法获得了百合单萜类物质生物合成途径中关键酶基因（DXS，DXR，TPS）的cDNA全长；通过荧光定量PCR技术检测发现花瓣是关键酶基因表达的主要部位，随着不同的开花时期，关键酶基因整体上呈现先增高后降低的趋势，与单萜类挥发物的表达模式相同；通过亚细胞定位的研究发现3个关键酶均定位于叶绿体上，与MEP代谢途径发生在质体上相同；通过转基因烟草的研究发现，在转3个关键酶基因的转基因株系中，萜类物质均有增加，在转LiDXR和LiTPS的植株中，单萜类物质芳樟醇的含量显著增高，并且在转LiTPS的株系中有新的单萜类物质罗勒烯和月桂烯的产生，说明LiDXR和LiTPS在单萜类物质合成过程中发挥着重要的作用；通过改项目实施明确了百合单萜类物质合成的关键酶基因及其功能，并为阐明百合单萜类花香物质合成与调控的分子机制及通过基因工程手段改良百合花香提供理论支持。