叶片富含多酚的甘薯种质资源筛选及转录组测序分析

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甘薯[Ipomoea batatas(L.)Lam.]的茎叶为其地上蔓生部分,生物量可观。现有研究表明,甘薯叶片中含有丰富的酚酸和类黄酮等多种酚类物质,具有抗氧化、降血糖、抗肿瘤等作用,在食品、医药、保健品以及化妆品等领域都有广泛的应用。因此,开展甘薯叶片酚类物质含量及其在基因型间的变化规律、生物合成机制相关的研究具有重要的理论意义和应用价值。目前对甘薯叶片的研究,多集中在甘薯品种中的酚类物质含量测定,而对酚类物质含量基因型间差异内在原因缺少进一步的探究。基于此,本文开展了如下两方面的研究:(1)在2020年对育种进程中86个基因型叶片中的酚类物质含量及其抗氧化能力进行测定的基础上,从中筛选出32个代表性基因型在2021年对其叶片的色泽、光合色素含量、总蛋白含量、抗氧化酶活性、酚类物质含量、抗氧化能力6类性状进行测定和相关性分析,并研究这些生理生化指标在万1314-6和商薯19两个供试材料生长期间40、65、90、115、140d的变化规律;(2)对万1314-6和商薯19这两个供试材料在生长期115d的叶片进行了转录组分析,并结合前期数据,筛选出可能影响甘薯叶片酚类物质代谢的相关基因。通过上述研究以期筛选出叶类利用优异种质资源、探究叶片酚类物质含量基因型间差异的内在原因,为进一步的叶类甘薯品种的选育奠定理论基础和科学依据。本文主要研究结果如下:1.甘薯叶片中酚类物质含量在基因型间、生长期间都存在极显著差异;生长期间的变化趋势在基因型间也存在差异。2020年甘薯叶片总多酚含量及其提取液的ABTS+清除能力在86个基因型间存在极显著差异,总多酚含量的变幅、平均值、变异系数分别为4.69~26.84mg GAE/g FW,12.66mg GAE/g FW,38.31%,其ABTS+清除能力的EC50值的变幅、平均值和变异系数分别为1.41~8.58mg/m L FW,3.98mg/m L FW,40.20%,从中筛选的32个基因型叶片的总黄酮、总多酚含量在2021年的变幅分别为2.95~12.66 mg RE/g FW、2.17~28.90 mg GAE/g FW,含量高低最大相差分别4.29、13.32倍,基因型间存在极显著差异。基因型万1314-6、商薯19的叶片总黄酮、总多酚含量在生长期间虽然均表现为先增加后降低,但是低含量的商薯19在65d就达到稳定状态,而高含量万1314-6一直增加到115d才达到峰值。2.甘薯叶片色泽群体、酚类物质含量群体及酚类物质含量与生理生化指标的相关性分析。32个基因型按照叶片色度值和酚类物质含量分别聚类成四类色泽基因型群体和六类酚类含量基因型群体。酚类物质含量与抗氧化能力、叶片色泽、色素含量等指标在不同分析尺度上进行的相关性分析结果表明总黄酮、总多酚含量以及ABTS自由基清除能力、DPPH自由基清除能力、铁离子还原能力5个指标之间无论哪种尺度两两都有极显著正相关性。仅在绿色组的基因型之间,总黄酮、总多酚含量与叶片色度值b*显著负相关,其余情形下,酚类物质含量与色度值、色素含量、蛋白质含量、抗氧化酶活性没有显著相关性,表明叶片酚类物质含量的提高不影响光合作用、蛋白质含量和抗氧化酶相关功能指标的改善。3.主成分分析筛选出3个叶片酚类物质含量优异的种质资源。对32个甘薯基因型叶片的酚类物质含量、抗氧化能力以及色素含量等11项生理生化指标的主成分分析将这11个指标简化为特征值大于1的4个主成分,根据主成分分值及综合得分结合鲜薯性状,从中筛选出了3个优质叶类利用甘薯种质资源,分别是万1314-6(29号)、18-2-57(8号)、15-12-2(25号)。万1314-6叶片酚类物质含量高、抗氧化能力强,蛋白质含量较高,叶片绿色嫩滑,可以作为叶菜用品种和叶片饲料用品种选育的优异亲本,同时该基因型薯块淀粉含量为20.12%,花青素含量32.00mg/100g,可以薯蔓综合利用;18-2-57叶片酚类物质含量虽然不是太高,但三项抗氧化能力综合能力较好(可能源于其抗氧化能力强的酚类组分比例较高),同时该基因型薯块淀粉含量24.14%,淀粉产量高,可以薯蔓综合利用,也可以作为亲本在淀粉品种育种加以利用,筛选薯蔓综合利用更加优越的新品种;15-12-2的总黄酮、总多酚含量均最高,但是抗氧化能力一般,该基因型叶片的3种色素含量均较高,薯块淀粉含量高达28%,但是鲜薯产量稍低,可以和18-2-57杂交筛选薯蔓综合利用的淀粉新品种或进一步创制特异种质资源。4.基于转录组测序分析获得了可能影响甘薯叶片酚类物质代谢的相关基因;本研究对万1314-6、商薯19两个甘薯基因型的叶片进行了转录组测序,得到了大量转录本信息,通过对二者差异基因功能的分析,筛选出两个基因型酚类物质代谢途径中15个差异表达的基因。其中参与绿原酸合成的PAL、HCT、4CL、参与类黄酮合成的CHI、CHS、F3’H、参与木质素合成的CCOAOMT、CAD、POD2、F5’H基因可能是影响两个基因型酚类物质含量差异的关键基因。综上所述,本文对86个基因型总多酚含量的初步试验筛选出32个代表性基因型,并对其叶片酚类物质含量、抗氧化能力、叶片色泽、光合色素含量、总蛋白含量、抗氧化酶活性以及这些指标在万1314-6、商薯19生长期间的变化进行了研究,结果表明甘薯叶片酚类物质含量丰富,且与抗氧化能力有着极显著的正相关关系,酚类物质含量提高的育种与高光合效率、高营养蛋白叶菜品种选育、高蛋白饲料品种选育没有矛盾,结合两年的试验数据筛选得到3个优质叶类利用甘薯种质资源;对酚类物质含量高低的万1314-6、商薯19两个基因型的转录组测序和初步分析找到了可能影响甘薯叶片酚类物质代谢的基因。本文的研究结果为薯蔓综合利用的甘薯品种的选育提供了一定的参考、也为未来通过基因手段提高甘薯叶片品质奠定了一定的基础。
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