作为类黄酮物质的一个重要亚类,花色苷是一类广泛分布于植物界的水溶性色素。合成的花色苷通常被储存于细胞的液泡中使得植物的叶、花和果实等组织器官呈现从粉红到蓝紫的缤纷色彩。花色苷本身具有的色彩除了能够帮助植物吸引昆虫完成受粉外,还能诱使动物和鸟类取食果实并通过排泄帮助植物传播种子。花色苷的积累还能够帮助植物抵御UV照射、冻害、干旱和微生物的侵害。此外植物经常合成花色苷作为遮光剂以清除UV照射所产生的氧自由基。越来越多的研究表明有规律地食用富含花色苷的食物能够降低人类罹患肿瘤、心血管疾病和其他退行性疾病的可能性。多数研究认为花色苷对人体健康的益处来源于该类化合物本身的抗氧化性和清除过氧化物的能力,而最近的研究则认为花色苷还能够参与哺乳动物细胞内部信号传递途径的调节。花色苷的积累不仅能够提高植物对环境的适应能力,还能够为人类提供健康的膳食成分。植物中花色苷的生物合成主要由转录因子对花色苷合成结构基因的转录调控而实现。这些转录因子主要包括MYB、b HLH、WD40、b ZIP及MADS box等家族的蛋白。此外花色苷的生物合成还受外界环境因子主要包括光照、干旱和温度等的调控。白菜和茄子作为重要的膳食蔬菜,在全世界范围内都有广泛的栽培和食用。相对于无花色苷积累的品种,紫白菜和紫茄因为靓丽的色彩和丰富的健康有益成分而广受欢迎。本文着重从分子生物学层面研究了紫白菜光依赖型花色苷合成的内部机理,也对强光诱导异源表达Br TT8的转基因番茄营养与生殖组织中花色苷大量积累的分子机理进行了深入的分析。此外,本文还研究了紫茄光依赖型花色苷合成的分子机理,同时也对转基因茄子花色苷合成的转录调控机理及抗冻特性进行了研究。具体的研究结果分为以下四部分。一、本研究通过HPLC-ESI-MS/MS的方法从紫白菜成熟叶中一共分离了15种花色苷成分并对其结构和含量进行了测定。其中,紫白菜叶中的花色苷成分主要为矢车菊素苷,且花色素的修饰基团主要为酰基和糖基。为了研究紫白菜花色苷合成的分子机理,我们利用q PCR技术在紫白菜(Zi He)和绿白菜(Suzhouqing)成熟叶片中检测了花色苷合成与相关调控基因的表达情况。相对于绿白菜而言,绝大部分花色苷合成结构基因与转录因子Br TT8在紫白菜叶中都有极显著地上调。此外,通过检测光照和黑暗处理不同时间条件下紫白菜和绿白菜幼苗中花色苷积累与花色苷合成相关基因的表达水平,研究结果表明部分重要的花色苷合成结构基因与Br TT8的表达模式与色素的积累模式高度吻合。异源表达Br TT8于转基因番茄中能够上调部分花色苷合成结构基因的转录水平进而促使少量的色素积累。这些结果表明光诱导的转录因子Br TT8参与调控紫白菜光依赖型的花色苷生物合成。二、前面部分研究过程中获得的转基因番茄植株栽培于强光条件下时,发现整个植株的叶、茎、花瓣末端及果实肩部的表皮中都有大量的花色苷合成。本部分内容对强光诱导的转基因番茄营养与生殖组织花色苷大量积累的分子机理进行了研究。通过对强光和弱光分别处理的转基因与野生番茄幼苗花色苷含量与花色苷合成相关基因的检测,发现花色苷的含量与花色苷合成结构基因的表达水平高度契合。此外,转录调控因子Sl AN2、Sl TT8和Sl MYBL2在强光处理的转基因番茄植株中皆受到显著地上调。而对不同强光处理时间下转基因番茄植株中花色苷合成相关基因的表达分析则排除了Sl MYBL2在早期花色苷合成过程中发挥的调控作用。酵母双杂交结果显示Sl AN2和Sl MYBL2皆能够与外源蛋白Br TT8通过特定结构域发生作用,且共表达Sl AN2和Br TT8能够诱导转基因番茄幼叶和根中高水平的花色苷合成。这些结果说明强光诱导的内源Sl AN2与外源的Br TT8共同调控强光下转基因番茄中花色苷的大量合成。与此同时,通过负反馈途径被显著上调的Sl MYBL2则可能通过与Sl AN2竞争性地结合Br TT8蛋白中Myb结合结构域而达到抑制花色苷合成结构基因转录的效果。三、本研究通过HPLC-ESI-MS/MS的方法从紫茄果皮中分离了2种主要花色苷成分并对其结构和含量进行了测定。其中,紫茄果实表皮花色苷的主要成分为飞燕草素-3-葡萄糖-5-(香豆酰)双鼠李糖苷。为探索紫茄果皮花色苷特异合成的分子机理,我们采用q PCR技术在紫茄(Zi Chang)和白茄(Bai xue)果实中检测了花色苷合成与相关调控基因的表达水平。大部分花色苷合成结构基因和转录因子Sm MYB1在紫茄果皮中呈现高水平的特异性表达。通过对Sm MYB1的组织表达分析发现该基因的表达模式与紫茄不同组织花色苷含量的分布特征高度相似。Sm MYB1过表达于野生茄子中能够促进野生茄子愈伤组织及幼芽大量地合成花色苷。这些结果说明特异表达的Sm MYB1基因调控了紫茄果皮花色苷的大量合成。此外,黑暗处理的紫茄果实呈现的白色果皮则说明花色苷在紫茄中的合成具有严格的光依赖性。q PCR分析表明紫茄果皮中结构基因的转录表达明显具有严格的光依赖性,而花色苷合成调控基因的转录表达则不受光照的影响。这些结果暗示光照可能通过蛋白水平调控转录因子的功能活性进而调控花色苷在紫茄中的合成。四、在本文前面部分,我们证实Sm MYB1参与紫茄果皮花色苷合成的调控。我们将Sm MYB1基因通过农杆菌介导的转化方法导入野生茄子(Solanum aethiopicum group Gilo)。花色苷广泛地积累于转基因茄子的叶、茎、花瓣,雄蕊、果皮和果肉等组织中。通过HPLC-ESI-MS/MS的方法,本研究从转基因茄子果肉中分离并鉴定了其主要花色苷成分及含量。锦葵素3-香豆酰(鼠李糖)葡萄糖-5-葡萄糖苷和锦葵素3-阿魏酸(鼠李糖)葡萄糖-5-葡萄糖苷是其中含量最高的两种花色苷物质。与非转基因的野生茄子相比,大部分花色苷合成结构基因的转录水平在转基因茄子的各个组织中都有极显著的上调。此外,转基因茄子幼苗对冻害的抗性有明显地提升。本部分研究内容为未来育种工作者培育富含花色苷的栽培茄提供了良好的理论基础和有益的探索。