华丽龙胆花青素苷芳香酰基化修饰基因的挖掘及其对蓝色花呈色的调控机理

Flower color is one of the most significant ornamental traits of ornamental plants and anthocyanin is the main substance for coloration. The coloration and stability of anthocyanin are closely related to the variety, number and location of its modification groups. Among various modifications, the aromatic acylation of anthocyanin can effectively produce blue flower color and can make the blue color more stable via stacking between molecules. Currently, genes related to the aromatic acylation of anthocyanin and can be utilized for molecular breeding are very limited, which restrict the process of molecular breeding for modifying flower colors. As one of the most precious and beautiful species in Gentiana, Gentiana sino-ornata is known for its blue flower, which is large and in bright dark blue. Thus, its flower should contain valuable gene resources for forming blue flower color and is the ideal material for exploring genes related to modification groups of anthocyanin in developing blue flower color. In this study, G. sino-ornata is chosen as the plant material. Transcriptome sequencing, expression profiling and the analysis of pigment composition in blue corolla will be used to explore genes related to aromatic acylation of anthocyanin in developing blue flower color. Subsequently, discovered specific genes will be overexpressed and knocked down in G. sino-ornata. The components of anthocyanin and flower color variation will then be analyzed. This study will shed light on the effect of genes related to aromatic acylation of anthocyanin in developing blue flower color in G. sino-ornata and provide gene resources and theoretical references for molecular breeding of ornamental plants with blue flower color.

花色是观赏植物重要的观赏性状之一，而花青素苷是其主要呈色物质。花青素苷的呈色和稳定性与其修饰基团类别、数目和位置等因素密切相关，其中花青素苷的芳香酰基化修饰能有效产生蓝色，并可通过分子间的堆叠使蓝色更稳定。目前可供分子育种的花青素苷芳香酰基化修饰基因十分有限，从而限制了花色改良的分子育种。华丽龙胆是以开蓝色花而著称的龙胆属植物中最珍贵、最美丽的种之一，其花大呈艳丽的深蓝色，聚集着珍贵的蓝色花形成关键基因资源，是挖掘蓝色花形成花青素苷修饰基因的理想材料。本研究拟以华丽龙胆为材料，通过对蓝色花冠的转录组测序、表达谱分析和色素成分分析方法，挖掘蓝色花呈色相关芳香酰基化修饰基因；并在本源植物中过表达和抑制表达该基因，分析转基因植株花冠中的花青素苷成分及花色表型的变化，解析华丽龙胆芳香酰基化修饰基因对蓝色花呈色的调控机理，为观赏植物蓝色花分子育种提供有效基因资源及理论依据。

花青素苷是花色的主要呈色物质，花青素苷的呈色和稳定性与其修饰基团类别、数目和位置等因素密切相关，其中芳香酰基化修饰能有效产生蓝色，并可通过分子间的堆叠使蓝色更稳定。华丽龙胆是以开蓝色花而著称的龙胆属植物中最为珍贵种之一，其花大呈艳丽的深蓝色，聚集着珍贵的蓝色花形成关键基因资源，是挖掘蓝色花形成花青素苷修饰基因的理想材料。.本研究以华丽龙胆为材料，通过对蓝色花冠的转录组、蛋白组测序、表达谱分析以及色素成分分析方法，解析华丽龙胆蓝色花冠呈色机理，挖掘蓝色花呈色相关芳香酰基化修饰基因，探讨其表达模式，推定其对蓝色花呈色的调控模式。.本研究色素分析结果表明华丽龙胆蓝色花冠呈色物质是以芳香酰基化修饰的飞燕草色苷为主，尤其是5位的芳香酰基化修饰，使花色更蓝更稳定。通过转录组蛋白组学分析、同源比对、系统进化树分析，筛选出了关键的花青素苷5位芳香酰基化修饰基因Gs5AT，其属于BADH家族，分支在Ⅰ分支，该基因在花冠开放过程中，其mRNA的表达量在H2和H4阶段达到两个高峰，蛋白质量由H1到H2阶段显著上升，H2到H5阶段略上升但不显著，转录组和蛋白组相关分析推定该基因编码的蛋白质量由转录水平调控。利用染色体步移技术获得了该基因1756bp长的启动子序列，其具有响应光的MYB结合位点，属于强启动子，可筛选与其作用的转录因子，用于解析转录调控机制。同时通过呈色物质合成相关差异基因群表达谱与代谢物质的相关分析，明晰了华丽龙胆大量积累丰富的芳香酰基化修饰飞燕草素苷的原因，是因为F3’5’H的高表达与F3’H痕量表达，以及下游丰富的糖苷化、酰基化修饰基因群的活跃表达，尤其是Gs5AT，以及与其紧邻的上游Gs5GT。这些基因是重要的花青素苷修饰基因群，可为通过花青素苷修饰，改良花色的分子育种提供有效基因资源，本研究结果为观赏植物蓝色花呈色机理的解析提供了有利依据。..