光形态建成调控因子SmCOP1L和SmCIP7调控茄子果实发育和着色的机理研究

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茄子(Solanum melongena L.)是全球范围内广泛种植的重要蔬菜作物,其果皮中富含的花色苷是重要的人体健康有益成分。目前国内大部分栽培茄子品种对设施栽培的弱光条件表现出较差的适应性,具体表现为茄子果皮着色不均,进而引起果实品质下降。由于国内设施栽培所用的茄子种子大多源于国外进口,这对于国内茄子产业的可持续发展和种子战略安全极为不利,因此茄子种质是目前制约整个产业发展的重要因素,而开展光调控茄子果实发育与着色的分子遗传机理研究则能够为未来优质材料的选育提供理论指导。本论文以花色苷合成完全光依赖型的紫长茄“三月茄”为材料,结合qRT-PCR技术、遗传转化、HPLC及转录组等技术和方法分析光形态建成调控因子SmCOP1L和SmCIP7在果实发育与着色中的功能。主要研究结果如下:1)通过qRT-PCR技术分析了花色苷生物合成及调控基因SmCHS、SmDFR、Sm3GT、SmMYB1、SmTT8、SmCOP1L、SmCOP1、SmCIP7、SmCRY1、SmCRY2和SmHY5在光照或黑暗处理条件下的表达情况。发现光能够强烈地诱导SmCHS、SmDFR、Sm3GT、SmMYB1、SmTT8和SmCOP1L的转录表达。2)通过pH示差法和qRT-PCR技术分别分析了花色苷在茄子不同组织(根、茎、叶、花、果皮和果肉)中的积累量以及生物合成与调控基因的表达情况。发现花色苷组织分布与花色苷生物合成及调控基因SmCHS、SmDFR、Sm3GT、SmMYB1和SmCOP1L的表达模式呈现高度的一致性。3)通过克隆SmCOP1L并对其进行生物信息分析,发现开放阅读框含有2013个核苷酸,编码670个氨基酸,具有典型的环形锌指、卷曲螺旋和WD40重复序列结构域。通过对茄子基因组数据库SmCIP7序列进行生物信息学分析,发现其开放阅读框含有3201个核苷酸,编码1066个氨基酸,在C端处具有DNA拓扑异构酶Ⅱ结构域,推测可能参与调节DNA高级结构而发挥功能。4)通过RNAi和农杆菌介导的遗传转化,分别成功获得SmCOP1L基因特异沉默株系和SmCIP7基因特异沉默株系。发现SmCOP1L基因沉默株系中SmCOP1L的下调表达导致了花色苷生物合成基因的上调,进而促进了花色苷的积累。此外SmMYB1过表达株系中SmMYB1的上调会增加SmCOP1和SmCOP1L的转录水平。而SmCIP7基因沉默株系中SmCIP7的下调表达导致了花色苷生物合成基因的下调,进而导致了花色苷的生物合成的减少。除果实着色减少外,SmCIP7的下调还导致果实变小、果皮叶绿素下降、果肉绿原酸含量上升、种子数目减少等特征。5)通过转录组测序分析野生型与SmCIP7-RNAi株系果实的基因表达,发现共有357个DEGs,其中上调的基因有160个DEGs,下调的基因有197个。GO功能富集将它们分为41个功能组;KEGG Pathway分析获得78条显著改变的富集通路,其中下调最为显著的是类黄酮生物合成途径(favonoid biosynthesis),进一步分析发现花色苷结构基因与调控基因SmCHS、SmCHI、SmF3H、SmF3′5′H、SmDFR、SmANS、SmCIP7和SmTT8的转录表达在SmCIP7基因沉默株系中均显著性下调。除此之外,SmUDPG1和SmSCL13等差异表达基因则可能参与了茄子的果实发育的调控。本论文初步分析了光形态建成因子SmCOP1L和SmCIP7在果实发育与着色中的功能与分子机制,为未来优质栽培茄的分子育种工作提供了理论基础。
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