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荔枝(Litchi chinensis Sonn.)是我国南方亚热带地区广泛栽培的特产果树,种质资源丰富、果色类型多种多样。色泽是荔枝果实外观品质的重要组成部分,在荔枝果实成熟过程中,随着叶绿素降解和花色苷合成,果皮颜色一般会发生由“绿色—黄色—红色”的变化。荔枝是非呼吸跃变型果实,ABA对其果实的成熟起主导作用,并且对荔枝果实的着色有强烈的改善作用。为了研究ABA调控荔枝果实着色的分子机制,本研究以着色不均匀的‘妃子笑’为研究材料进行转录组测序分析,并用着色良好的‘桂味’为研究材料,利用RT-qPCR、亚细胞定位、瞬时表达、双荧光报告和酵母单杂等技术手段,探讨了LcABFs转录因子对荔枝果皮叶绿素降解和花色苷合成相关基因的调控网络,获得的结果弥补了ABA调控荔枝果实色泽分子机理研究的空白,为荔枝果实色泽调控及外观品质的改良提供了理论依据。主要研究结果如下:
1.以‘妃子笑’为研究对象,利用RNA-seq技术对喷施ABA后0 d、10 d、20 d的果皮与对照进行差异表达基因分析,得出对照0 d、10 d、20 d的发育过程中共有2263个差异表达基因;外源ABA处理后0 d、10 d、20 d的发育过程中共有1986个差异表达基因;外源CPPU处理后0 d、10 d、20 d的发育过程中共有2862个差异表达基因。外源ABA处理与对照相比共有579个差异表达基因;外源CPPU处理与对照相比共有827个差异基因。进行GO功能分类分析,外源ABA处理与对照相比引起的差异表达基因较多属于细胞进程(cellular process)、单生物体进程(single-organism process)、代谢进程(metabllic process)、催化活性(catalytic activity)等类别;外源CPPU 处理与对照相比引起的差异表达基因多属于单生物代谢进程(single-organism process)、细胞进程(cellular process)、生物学调节(biological regulation)、催化活性(catalytic activity)等类别。进行KEGG富集分析,外源ABA处理与对照相比引起的差异表达基因较多富集在植物-病原体互作、植物激素信号转导、类黄酮生物合成等途径中;外源 CPPU 处理与对照相比引起的差异较多富集在碳代谢、植物-病原体互作、光合作用等途径中。外源ABA处理后,‘妃子笑’果皮中叶绿素合成相关基因表达下调,叶绿素降解相关基因表达上调,果皮中花色苷合成相关基因表达上调;外源 CPPU 处理后,‘妃子笑’果皮中叶绿素合成相关基因受到促进,叶绿素降解相关基因受到抑制,且花色苷合成相关基因受到抑制。
2. 以‘桂味’为研究对象,跟踪观测了果实从坐果至商业性成熟的果形、果色及内源ABA含量的变化规律,得出‘桂味’果实为单S型生长曲线,雌花盛花后45~50 d是果实从生长Ⅰ期向Ⅱ期的转折点,ABA含量的变化证明ABA对生长期的转变有调控作用。克隆了‘桂味’果皮中的3个ABF基因,分别命名LcABF1、LcABF2和LcABF3。通过系统进化分析,得出LcABF1与LcABF2的亲缘关系较近,LcABF3与前二者的亲缘关系较远。依据 RT-qPCR 结果得出,LcABF1 主要在种子中表达,LcABF2在各个组织均有表达,LcABF3主要在种子表达且在幼叶中也有一定表达。通过在桂味果皮发育过程中的表达分析,推测三个基因均参与了果实成熟的进程,但可能主要是 LcABF1 参与叶绿素降解,LcABF2 和 LcABF3 参与果实成熟期的启动,而LcABF3则主要参与花色苷的合成。
3. 通过亚细胞定位分析,得出LcABF1、LcABF2和LcABF3均定位于细胞核中。利用双荧光报告系统和酵母单杂系统,得出 LcABF2 和 LcABF3 可以显著地激活LcMYB1启动子上的ABRE元件。进一步系统地分析得出,LcABF1和(或)LcABF2可以激活LcPAO、LcSGR启动子的活性;LcABF3可以激活LcNYC、LcCLH启动子的活性;LcABF2和(或)LcABF3可以激活花色苷合成相关的结构基因LcCHS、LcCHI、LcF3H、LcF3H、LcDFR、LcANS 和调控基因 LcbHLH1 启动子的活性。利用本氏烟草叶片瞬时表达系统,证明 LcABF1 和(或)LcABF2 可以调控本氏烟草叶绿素降解相关基因NbNYC、NbCLH、NbPAO和NbSGR的表达并且引起叶片黄化衰老的表型;LcABF3 可以调控本氏烟草 NbNYC、NbCLH的表达但不能造成叶绿素降解的表型;LcABF1不调控本氏烟草花色苷合成相关基因的表达;LcABF2可以调控本氏烟草花色苷合成相关基因NbDFR、NbANS、NbUFGT和NbAN1的表达;LcABF3可以调控本氏烟草NbANS和NbAN1的表达且引起叶片合成更多的花色苷。总的来说,在‘桂味’果皮中主要是LcABF1和LcABF2调控叶绿素降解,主要是LcABF2和LcABF3调控花色苷合成。
1.以‘妃子笑’为研究对象,利用RNA-seq技术对喷施ABA后0 d、10 d、20 d的果皮与对照进行差异表达基因分析,得出对照0 d、10 d、20 d的发育过程中共有2263个差异表达基因;外源ABA处理后0 d、10 d、20 d的发育过程中共有1986个差异表达基因;外源CPPU处理后0 d、10 d、20 d的发育过程中共有2862个差异表达基因。外源ABA处理与对照相比共有579个差异表达基因;外源CPPU处理与对照相比共有827个差异基因。进行GO功能分类分析,外源ABA处理与对照相比引起的差异表达基因较多属于细胞进程(cellular process)、单生物体进程(single-organism process)、代谢进程(metabllic process)、催化活性(catalytic activity)等类别;外源CPPU 处理与对照相比引起的差异表达基因多属于单生物代谢进程(single-organism process)、细胞进程(cellular process)、生物学调节(biological regulation)、催化活性(catalytic activity)等类别。进行KEGG富集分析,外源ABA处理与对照相比引起的差异表达基因较多富集在植物-病原体互作、植物激素信号转导、类黄酮生物合成等途径中;外源 CPPU 处理与对照相比引起的差异较多富集在碳代谢、植物-病原体互作、光合作用等途径中。外源ABA处理后,‘妃子笑’果皮中叶绿素合成相关基因表达下调,叶绿素降解相关基因表达上调,果皮中花色苷合成相关基因表达上调;外源 CPPU 处理后,‘妃子笑’果皮中叶绿素合成相关基因受到促进,叶绿素降解相关基因受到抑制,且花色苷合成相关基因受到抑制。
2. 以‘桂味’为研究对象,跟踪观测了果实从坐果至商业性成熟的果形、果色及内源ABA含量的变化规律,得出‘桂味’果实为单S型生长曲线,雌花盛花后45~50 d是果实从生长Ⅰ期向Ⅱ期的转折点,ABA含量的变化证明ABA对生长期的转变有调控作用。克隆了‘桂味’果皮中的3个ABF基因,分别命名LcABF1、LcABF2和LcABF3。通过系统进化分析,得出LcABF1与LcABF2的亲缘关系较近,LcABF3与前二者的亲缘关系较远。依据 RT-qPCR 结果得出,LcABF1 主要在种子中表达,LcABF2在各个组织均有表达,LcABF3主要在种子表达且在幼叶中也有一定表达。通过在桂味果皮发育过程中的表达分析,推测三个基因均参与了果实成熟的进程,但可能主要是 LcABF1 参与叶绿素降解,LcABF2 和 LcABF3 参与果实成熟期的启动,而LcABF3则主要参与花色苷的合成。
3. 通过亚细胞定位分析,得出LcABF1、LcABF2和LcABF3均定位于细胞核中。利用双荧光报告系统和酵母单杂系统,得出 LcABF2 和 LcABF3 可以显著地激活LcMYB1启动子上的ABRE元件。进一步系统地分析得出,LcABF1和(或)LcABF2可以激活LcPAO、LcSGR启动子的活性;LcABF3可以激活LcNYC、LcCLH启动子的活性;LcABF2和(或)LcABF3可以激活花色苷合成相关的结构基因LcCHS、LcCHI、LcF3H、LcF3H、LcDFR、LcANS 和调控基因 LcbHLH1 启动子的活性。利用本氏烟草叶片瞬时表达系统,证明 LcABF1 和(或)LcABF2 可以调控本氏烟草叶绿素降解相关基因NbNYC、NbCLH、NbPAO和NbSGR的表达并且引起叶片黄化衰老的表型;LcABF3 可以调控本氏烟草 NbNYC、NbCLH的表达但不能造成叶绿素降解的表型;LcABF1不调控本氏烟草花色苷合成相关基因的表达;LcABF2可以调控本氏烟草花色苷合成相关基因NbDFR、NbANS、NbUFGT和NbAN1的表达;LcABF3可以调控本氏烟草NbANS和NbAN1的表达且引起叶片合成更多的花色苷。总的来说,在‘桂味’果皮中主要是LcABF1和LcABF2调控叶绿素降解,主要是LcABF2和LcABF3调控花色苷合成。