利用苹果转基因愈伤组织研究类胡萝卜素积累影响花青苷合成的机理

Carotenoids and anthocyanins represent two groups of the essential antioxidants in plants, and also protect human health. Considerable researches with regard to only one group have been performed, but there is a limited understanding on the correlation between carotenoids and anthocyanins during their accumulation processes. It is not known whether there is a biological mechanism that can construct the correlation between carotenoids and anthocyanins. In our previous study, the transgenic apple calli with high level of carotenoids were constructed by over-expressing the phytoene synthase gene. Unlike the non-transgenic callus that accumulated abundant anthocyanins, the transgenic one showed a declined anthocyanin accumulation and the suppressed transcriptions of anthocyanin biosynthetic genes. Previous studies have shown the connection of redox to both of carotenoids and anthocyanins, the question is raised whether redox can play the key role in constructing the correlation between carotenoids and anthocyanins. To prove it, biochemical, genetic and protein analysis will be firstly applied to clarify the role of carotenoids in the redox regulation, which will disturb the response of anthocyanin biosynthesis to light. Furthermore, through the genome-wild analysis based on the Digital Gene Expression Profiling, we will try to discover the transcriptional mechanism involving in the negative effect of carotenoid accumulation on anthocyanin biosynthesis. Expected results from this study will help provide a theoretical basis for further understanding of the correlation between carotenoids and anthocyanins in plants, and for quality improvement in future apple breeding programs.

类胡萝卜素和花青苷均是植物至关重要的抗氧化类色素，与人体健康也息息相关。以往的研究多是针对其中一种开展，而对类胡萝卜素和花青苷间的积累关系了解甚少。植物中是否存在一种调控两者间积累关系的生物学机制，还不得而知。申请人前期通过超表达八氢番茄红素合成酶基因获得高水平积累类胡萝卜素的苹果愈伤组织。与非转基因愈伤组织相比，转基因愈伤组织在光照条件下的花青苷积累水平显著减少，花青苷合成基因的表达也相应降低。已知氧化还原反应同类胡萝卜素和花青苷均有一定联系，它是否可能正是建立两者间相关性的关键环节？基于此，本项目拟首先通过生化、基因和蛋白分析，揭示类胡萝卜素通过调控愈伤组织氧化还原反应，进而削弱花青苷合成调控因子对光信号的响应；进一步通过数字表达谱挖掘类胡萝卜素积累影响花青苷合成的分子调控机制。本项目将为理解植物中类胡萝卜素和花青苷的积累关系提供重要的理论依据，并为苹果果实色泽改良奠定一定的理论基础。

类胡萝卜素（脂溶性）和花青苷（水溶性）是植物维系生存至关重要的两种次生代谢类色素，也是人类健康所需的重要活性物质。食用水果是人们获取两种色素的主要途径之一。苹果的成熟果实普遍以积累花青苷为主，而类胡萝卜素的含量较低。兼具脂溶性和水溶性抗氧化类物质的食物对人类更具营养价值，因此，培育富含类胡萝卜素的优良苹果品种是一项重要的育种目标，而使富含花青苷的苹果兼顾高水平的类胡萝卜素积累则具有重要的现实意义。然而，人们关于这两类色素在植物组织中积累关系的理解却非常有限。提高类胡萝卜素的积累是否会影响原有花青苷的合成？目前仍不清楚。因此，深入研究这两类色素在植物中的积累规律，揭示其积累过程间的关系及其分子基础，对实现这两类色素的有效利用具有重要意义。本研究利用具有花青苷积累的苹果愈伤组织作为研究材料，通过基因工程手段将类胡萝卜素合成的限速酶八氢番茄红素合成酶基因导入野生型苹果愈伤组织中，在成功提高愈伤类胡萝卜素积累的同时，也抑制了愈伤组织中用原有花青苷的合成。为了探明类胡萝卜素积累负调控花青苷合成的分子机制，本研究利用生化分析，转录组测序以及代谢组学手段并结合逆境处理，深入挖掘出富集类胡萝卜素的转基因苹果愈伤组织和富集花青苷的野生型苹果愈伤组织间的生物学特征差异。研究发现类胡萝卜素积累可以提高愈伤组织中蔗糖和维生素E的积累，并且显著增强愈伤组织抗高温逆境以及光胁迫的能力；在野生型愈伤组织中MYB1，MYBA和MYB10基因响应光信号进而调控花青苷合成和积累的过程是一种典型逆境响应模式，而在转基因愈伤组织中，MYB1，MYBA和MYB10基因失去了光响应特征。本研究进一步通过在转CrtB基因的愈伤组织中共表达MYB1基因，成功恢复了转基因愈伤组织中的花青苷积累，并且不影响类胡萝卜素的积累，从而实现在愈伤组织可以同时富集类胡萝卜素和花青苷两种色素。该研究对理解两类色素在植物中的积累规律，进而实现这两类色素的有效利用具有重要意义。