马铃薯花色素苷合成相关miRNAs的发掘及其功能鉴定

The potato is the fourth largest crop in the world, and it is also China's fourth largest staple crop. Colored potatoes are rich in anthocyanins, which is relevant with the functions of antioxidant, anti-mutagenic, anti-proliferation. Understanding of the molecular mechanism of anthocyanins biosynthesis will provide theoretical basis for developing natural potato pigment resources and breeding new.colored potato varieties. miRNA, as a gene expression regulator, plays a significant role in the synthesis of anthocyanin in the potato. In this study，miRNAs involved in potato anthocyanin biosynthesis will be identified and isolate by sRNA-Seq and bioinformatics approaches. We aim to determine the functions of those regulatory miRNAs in potato anthocyanin biosynthesis, analyze the regulation mechanism of miRNA mediated anthocyanin biosynthetic pathway, and establish the anthocyanin-rich potato quality improvement strategies based on the miRNAs genetic modification. These results will provide a theoretical basis for further breeding new potato varieties with the function of developing natural antioxidants by potato pigment.

马铃薯是世界第四大作物，也是我国第四大主粮作物。彩色马铃薯富含的花色素苷具有抗氧化、抗突变、抗增生等营养和保健作用，对其生物合成的分子机理进行研究，将为马铃薯天然色素资源的开发利用与彩色马铃薯育种提供理论依据。miRNA作为基因表达调控的重要因子，对花色素苷的合成过程具有重要的意义。本研究拟利用小RNA分子的深度测序技术，结合生物信息学方法分离出与马铃薯花色素苷合成相关的重要miRNAs，明确其在马铃薯花色素苷合成中的重要调控作用，解析miRNA介导的花色素苷生物合成途径调控机制，建立基于miRNAs遗传修饰、提高花色素苷含量的马铃薯品质改良新策略，为进一步利用马铃薯色素开发天然抗氧化剂及选育功能型马铃薯新品种奠定基础。

彩色马铃薯色彩丰富，薯形美观，营养全面，其功能成分花色素苷，被公认为是人类健康饮食中的天然抗氧化剂来源。miRNAs与植物的生长发育、代谢调节和各种应激反应活动密切相关。然而，miRNAs调节马铃薯花色素苷合成的机制仍不清楚。本研究采用比较转录组学方法构建了12个转录组文库，通过比较四个马铃薯品种（黑金刚、红美、陇薯7号、LK99）的花青素含量，挖掘与马铃薯花青素形成相关的miRNAs及其靶基因。分析产生了167.3M的纯净序列，确定了7832个miRNA，其中6595个是新发现的。相对于W组（LK99），在B组（黑金刚）、R组（红美）和Y组（陇薯7号）中，通过严格的阈值筛选，分别获得了1235、1533和921个差异表达的miRNAs（DEmiRNAs），并筛选出236个共享的DEmiRNAs。通过组合分析筛选出一些重要的miRNAs和靶基因，如miR858、miR172、miR156、miR157、APS1、ABCB4、SPL、RPP13等。进一步功能注释分析确定了几个关键的调控途径，如代谢途径、次级代谢途径、谷胱甘肽代谢、苯丙氨酸代谢以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢。根据测序结果，筛选了novel-m3104-5p、novel-m2651-5p、novel-m1350-5p等3个miRNA，通过构建过表达载体，农杆菌介导转入马铃薯“陇薯7号”获得了54个转基因株系，表型分析获得块茎颜色的变化。本研究为全面了解调控马铃薯花色素苷形成的miRNA提供了重要基础数据，为彩色及功能性马铃薯的培育和开发利用提供科学参考。