高温胁迫对茄子果皮花青素生物合成的影响

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yy04081406
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茄子(Solanum melongena L.)的果皮中含有丰富的抗氧化性较强的花青素使其作为功能性食品广受欢迎。茄子开花结果期的适宜温度为25~30℃,超过35℃的温度条件会对茄子的生长发育产生不利影响,为了探究高温胁迫对花青素影响,本试验以紫色茄子果皮为试验材料,利用人工气候室进行38℃和45℃ 高温处理 1h、3h、6h、12h、24h、48h、60h,以 27℃ 为对照,分析了对照与高温处理下的茄子果皮花青素、类黄酮含量以及花青素合成过程相关酶活性的变化、与花青素合成相关基因表达的变化、CHS基因家族的分析以及高温胁迫下花青素生物合成途径分子调控机制,有助于深入了解高温对茄子果皮花青素产生的影响。主要研究结果如下:(1)以紫色茄子‘特旺达,果皮为试验材料,利用人工气候室进行38℃和45℃ 高温处理 1h、3h、6h、12 h、24h、48h、60h,以 27℃ 为对照,测定花青素和类黄酮含量,以及花青素生物合成过程中关键酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)、查尔酮合成酶(CHS)、查尔酮异构酶(CHI)、二氢黄酮醇还原酶(DFR)、花青素合成酶(ANS)、类黄酮3-葡糖基转移酶(UFGT)的活性。同时测定3 h和6h时花青素生物合成过程中关键酶基因的相对表达水平,以探究高温胁迫对茄子花青素及类黄酮积累、花青素生物合成过程中的关键酶活性以及相关基因表达的影响。结果表明:与对照相比,随着时间的延长,高温胁迫导致花青素和类黄酮含量显著降低,其中45℃较38℃下降的更多;随着胁迫时间的增加,PAL的活性呈现先升高后降低;CHS、CHI、DFR、ANS、UFGT的活性呈现持续下降,且38℃时显著低于对照,45℃低于对照和38℃;SmPAL、Sm4CL的表达量在3 h的处理中随着温度的升高逐渐增加,当处理达到6 h时,38℃和45℃的表达量均低于对照。SmCHI的表达量在38℃时显著升高,而在温度达到45℃时表达量降低至与对照相当的水平。SmF3H、SmANS、SmUFGT表达量的变化趋势是一致的,在同一处理时间,温度越高,表达量越低。上述结果表明,高温胁迫降低了茄子果皮花青素合成关键酶的活性及相关基因的表达量,导致花青素和类黄酮含量降低。(2)茄子是一种花青素含量较高的蔬菜,花青素的合成受到多种环境因素的影响,其中温度是比较重要的,在我国的一些地区,茄子的栽培季节通常都会遭遇高温的环境条件,因此本试验旨在探究茄子果皮中与花青素生物合成相关基因在高温胁迫下的表达机制。将茄子品种‘特旺达’进行38℃与45℃的高温处理,以茄子生长的适宜温度27℃为对照,处理时间为3 h和6h,取茄子果皮进行转录组测序和生物信息学分析。结果表明:两种高温条件下均发生差异表达的基因有770个,通过与GO数据库和KEGG数据库的比对,筛选出14个与花青素生物合成相关的基因,其中上调表达的基因1个:Sme2.500283.1g00002.1,下调表达的基因个:Sme2.501638.1g00005.1、Sme2.500188.1g00020.1、Sme2.504313.1g00001.1、Sme2.501193.1g00009.1、Sme2.500461.1g00010.1、Sme2.504555.1g00001.1、Sme2.5 00015.1g00020.1、Sme2.5 09880.1g00001.1、Sme2.506210.1g00004.1、Sme2.505988.1g00001.1、Sme2.500749.1g00006.1、Sme2.500081.1g00022.1、Sme2.500029.1g00004.1。以上结果表明:茄子果皮中与花青素生物合成相关基因在高温胁迫下大部分为下调表达,少数为上调表达,这对进一步了解茄子耐热机制具有参考价值。(3)查尔酮合成酶(CHS)家族参与了一系列植物次生代谢过程,其产物具有多种生物功能,花青素是植物次生代谢产物的一种,在植物的呈色、抵御生物和非生物胁迫方面发挥重要作用。采用生物信息学的方法对茄子CHS基因家族进行鉴定并进行高温胁迫下的表达分析,结果表明在茄子的全基因组中共鉴定出7个CHS(SmCHS1-7)基因。SmCHS基因分布在7个分支上,被分为3簇。系统发育关系分析表明,来自7种茄科植物的73个CHS基因被分为10组。在38℃和45℃处理下,SmCHS1,SmCHS2和SmCHS3连续下调表达,而在38℃下SmCHS4为上调表达,但在45℃时变化较小。花青素生物合成关键基因家族的表达谱分析表明,PAL,4CL和AN11基因在根、茎、叶、花、果皮中均有表达,CHI,F3H,F3’5’H,DFR,3GT和bHLH1基因仅在花和果皮中有表达。结果表明,SmCHS基因家族具有保守的基因结构和功能多样性,SmCHS显示两个或多个表达模式,并执行多种功能来调节花青素含量。结合调控网络分析,有助于进一步了解茄子果皮颜色的调控机理。(4)通过生物信息学分析,结合STRING数据库信息和高温胁迫下转录组获得的数据,构建了茄子高温胁迫基因调控网络。筛选KEGG(ko00941)为类黄酮生物合成途径的73个基因的互作关系,用148个基因绘制互作图,并对其进行GO和KEGG富集分析。结果显示,茄子与番茄、马铃薯、拟南芥、水稻的四组基因调控网络的交集中均存在的互作关系有34250对,根据互作图筛选出 3个发生差异表达的调控基因:Sme2.500670.1g00012.1、Sme2.500029.1g00004.1 和 Sme2.500749.1g00006.1,上述148 个基因主要富集在类黄酮生物合成过程(GO:0009813)、木质素生物合成过程(GO:0009809)、Prp19复合体(GO:0000974)、柚皮素-查尔酮合酶活性(GO:0016210)等途径。KEGG途径主要富集在ko00941类黄酮生物合成(flavonoid biosynthesis)、ko00940苯丙烷生物合成(phenylpropanoid biosynthesis)。以上结果阐明了高温胁迫下茄子果皮花青素生物合成过程中关键基因的分子调控机制。
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