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世界上很多人正在遭受营养不良的困扰,而谷类和块茎类作物无法提供所有类型的必需的营养物质。为了解决这一问题,人们尝试了多种方法,比如营养添加剂、食品营养强化和粮食作物生物强化。小麦作为“谷物之王”,是谷物中非常重要的粮食作物,并被认为是全球粮食安全的关键作物。因此,小麦具有很大的生物强化潜力。叶酸是维持细胞功能的基本要素,包括植物在内的许多生物可以自己合成叶酸。人类与其他脊椎动物一样,靠食物来摄入叶酸,并常因叶酸摄入不足而患上许多疾病。花青素是高等植物合成的次生代谢产物,负责花和果实的着色,也用作常规和分子育种中的可见标记。植物源的花青素也很重要,花青素具有抗炎、抗癌活性,所以摄入花青素可以预防冠心病。MYB和bHLH转录因子参与到花青素生物合成途径中,并与WD40蛋白形成一个三元复合物调控花青素合成通路中的结构基因。在本研究中,我们评估了中国不同的小麦种质,探索不同小麦种质中叶酸含量的自然变化。此外,通过代谢工程对小麦籽粒进行生物强化以获得高叶酸含量。首先,将参与叶酸前体蝶呤和对氨基苯甲酸合成的大豆基因GmGCHI(GTP cyclohydrolase I)和GmADCS(aminodeoxychorismate synthase)分别在胚乳启动子水稻GluC和玉米Leg1A的控制下在小麦中表达。另外,将大豆密码子优化的GmGCHI和番茄LeADCS基因在小麦胚乳特异性谷蛋白(1Dx5)启动子控制下共转化小麦。同时,在小麦中分别表达和共表达玉米MYB和bHLH,评估这些基因在小麦中的功能。主要研究结果如下:1.利用HPLC-MS/MS测定了360份小麦样品(包含315个小麦品种)的叶酸含量,发现小麦品种间叶酸含量的差异为10.15±2.86~91.44±5.64μg/100 g。河农58-3等52个小麦品种叶酸含量较高,超过50μg/100 g,是小麦高叶酸含量育种的理想资源。同时发现,环境因素对小麦中叶酸含量有很大影响,如良星66在石家庄、北京和郑州每100克籽粒中叶酸含量分别为36.9、29.4和57.5μg,石4185在石家庄、北京和郑州每100克籽粒中的叶酸含量分别为20.4、28.3和41.5μg。2.发现在小麦籽粒中叶酸主要以5-甲酰基四水合物(5-CHO-THF)和5-甲基四氢叶酸(5-CH3-THF)的形式存在,占叶酸总量的50%以上。3.为了提高小麦植株的叶酸含量,利用农杆菌转化法在小麦中过表达2个与叶酸合成相关的大豆基因GmGCHI和GmADCS,发现转基因小麦籽粒中叶酸含量为65μg/100 g,相比受体对照的28μg/100 g提高了2.3倍。4.进一步利用农杆菌转化法将大豆密码子优化的GmGCHI基因和番茄LeADCS基因在小麦中表达,发现转基因小麦籽粒中叶酸含量为127μg/100 g,相比受体对照的23μg/100 g提高了5.6倍。5.利用农杆菌转化法将玉米ZmC1(MYB-C1)和ZmR(bHLH R)基因转入小麦,发现ZmC1和ZmR在转基因植株中以组织特异性方式调控花青素的生物合成。6.过表达ZmC1和ZmR的小麦转基因植株在叶、茎、叶耳、小穗和籽粒等几乎所有组织都显示高色素沉积;过表达ZmC1的小麦转基因植株在胚芽鞘、叶耳和茎中显示色素沉积,表明ZmC1调控营养组织中的色素沉积;表达ZmR基因的小麦转基因植株在籽粒中显示出高色素沉积,表明ZmR调控籽粒中的色素沉积;在表达ZmC1和ZmR的转基因小麦植株中花青素含量达到了6.51 mg/kg。7.利用qRT-PCR技术分析了转基因植株中ZmC1和ZmR、2个小麦同源基因(TaC1和TaR)、6个花青素合成相关基因(TaCHS、TaCHI、TaF3H、TaF3’H、TaDFR和TaANS)的表达水平,发现它们在转基因小麦植株中都显著上调表达。