基于泛转录组学分析不同色系报春苣苔属植物花色素苷差异积累的机制

Anthocyanin is an important secondary metabolite and plant pigment for flower color. The anthocyanin biosynthesis and pigmentation are closely related to anthocyanin biosynthetic structural genes and complex of MYB-bHLH-WD40 (MBW) transcription factors, and are subject to internal and external factors, such as pH, sugar, metal ions, accessory pigments, light, temperature and hormones. So the flower color variation can be caused by the DNA diversity of hundreds of candidate genes. In order to elucidate the molecular mechanisms of the differential accumulation on anthocyanin in Primulina plants, which are the characteristics of plant resources in China and the ideal wild ornamental flowers, 12 representative species with different flower color will be studied in this project. The MBW transcription factors in anthocyanin biosynthesis and other related candidate genes in Primulina plants will be selected using the latest Pan-transcriptome and molecular biological technologies. Furthermore, the key factors will be identified based on DNA diversity of both transcript and promoters. In order to reveal the molecular mechanisms of the flower color variations between P. eburnean (purple flower) and its white flower mutation, and between P. eburnean and its closed sister species, P. lutea (yellow flower), transcriptional patterns of candidate genes during different flower development stages will be studied, and functional verification based on transgene or hybrid populations will be performed. This project will provide theoretical support for molecular breeding of Primulina plants, and promote their industry.

花色素苷是构成植物花色的重要次生代谢物质，其积累与呈色受合成结构基因、MYB-bHLH-WD40(MBW)转录因子调控之外，还受pH、糖、金属离子、辅色素，以及光、温、激素等众多因素共同影响。数百个相关候选基因的序列变异均可引起花色变异。本研究以中国特色植物资源、理想的野生观赏花卉报春苣苔属植物6大色系12个代表物种为材料，基于最新的泛转录组学分析技术，结合分子生物学手段，通过不同物种间转录本与启动子序列差异分析确定关键因子。在此基础上，结合花不同发育阶段候选基因的转录模式，重点探讨牛耳朵（紫花）的白花突变体形成原因，牛耳朵与其姊妹种黄花牛耳朵花色差异机制，并通过转基因或杂交群体进行基因功能验证。研究结果拟初步阐明不同色系报春苣苔属植物花色素苷差异积累的分子机制，为分子育种提供理论支撑，促进其产业的发展。

报春苣苔属植物是理想的野生观赏花卉，也是研究花色代谢与进化的模式材料。本项目从遗传和发育两个角度出发，初步阐明了报春苣苔属植物花色素苷差异积累的生理与分子基础。在遗传方面，我们完成了首个报春苣苔属物种（怀集报春苣苔）的全基因组测序及组装，这是苦苣苔科第一个达到染色体级别的基因组，也是喀斯特生境适生物种的首例基因组。基因组学分析发现怀集报春苣苔经历了至少3次近期的全基因组复制事件。其中P事件是该属植物共享且特有，促成了该属物种大爆发及对喀斯特洞穴生境的适应性进化。通过对17个报春苣苔属不同色系代表物种的液质分析，掌握了报春苣苔属植物花色丰富变异的生理基础。对应物种的花的RNASeq测序及泛转录组学分析（结合基因组数据），获得了该属植物的核心基因家族与泛基因家族，并揭示了报春苣苔属物种形成进程中花色平行进化（由蓝紫色转变为黄色）的遗传基础。此外，我们还检测到马坝报春苣苔（P. mabaensis）和牛耳朵（P. eburnea）的白花突变体在ANR及MYB基因上均存在正选择信号，这可能导致了其花色素苷的丢失。在发育方面，鉴定了钟冠报春苣苔（P. swinglei）花的17种花色素苷类物质，并解析了其在花不同部位的差异分布及发育进程中含量的动态变化模式。结合RNAseq与生物信息学分析，转录模式分析，烟草叶片瞬时过表达实验与双荧光素酶互作实验，挖掘并证实PsMYB1是调控钟冠报春苣苔花色素苷合成的重要转录因子。在该项目的资助下，我们还完成了报春苣苔属叶绿体基因组装及高变异区段挖掘的新策略研究，建立并优化了农杆菌介导的高效遗传转化体系。研究结果已发表了两篇学术论文，另有3篇论文正在审稿或准备投稿。本项目为分子育种提供理论支撑，并有望促进产业的发展。