罗田红米籽粒色素代谢对铁离子的响应机制研究

发布时间：2020-08-23 12:10

【摘要】：有色稻籽粒富含天然花色苷色素和多种微量元素,具有抗氧化功能和极高的营养食用价值。课题组前期从地方传统红米资源中选育获得了富铁稻米品系“罗田红米”,但在生产过程中,发现不同地域、不同环境种植影响了其色素外观稳定性。本研究根据此材料对铁元素的需求特性,选用普通白米材料9311作为对照,对其孕穗期和抽穗期进行叶面喷施硫酸亚铁处理,通过成熟籽粒代谢物和微量元素测定,分析外源铁对红米类黄酮型色素物质和微量元素积累的影响,以期探讨红米色素稳定性与强化其营养品质的可能性。结合灌浆关键时期发育籽粒的转录组测序分析,筛选出参与类黄酮合成关键酶基因及铁转运相关基因,并从基因和蛋白水平验证了灌浆期发育籽粒中类黄酮合成关键酶表达情况,以此分析籽粒色素代谢特征及类黄酮途径关键酶表达调控规律,解析外源铁对水稻籽粒色素合成与积累的调控机制,为优质特种有色稻“罗田红米”的保质栽培及品质稳定性改良提供依据,并为其它作物色素优良性状研究与应用提供参考实例。获得结果如下:1.基于代谢组确定了“罗田红米”RM1的色素特征代谢物为儿茶素(Catechin)、棕儿茶素b3(Gambiriin b3)、肉桂单宁(Pavetannin b6)、原花青素b8(Procyanidin b8)、原花青素c1(Procyanidin c1)、3-4-羟基表儿茶素[3-(4-hydroxybenzoyl)epicatechin]等类黄酮物质和原花色素。2.基于细胞学观察、差异代谢物比较和色素物质含量测定,分析发现叶面喷施硫酸亚铁对红米籽粒的色素物质积累具有正向影响。红米色素主要积累于果皮,以原花青素型为主。通过果皮切片观察发现喷FeSO_4处理后RM1的表皮着色更均匀,细胞间留白区域更少。通过原花色素含量测定,喷0.1%FeSO_4处理后红米中原花色素含量在开花15d至25d显著增加。另外RM1喷施0.1%FeSO_4处理后类黄酮代谢中的其他分支产物表现为下调,说明铁离子处理促进了向原花青素方向的合成,其他分支产物的减少为原花青素的合成提供了充足的底物。3.叶面喷施硫酸亚铁后能有效的提高稻米中铁含量,其中喷施0.2%FeSO_4效果更明显,RM1和RM5经过处理后铁含量分别提高到125.84 mg/kg和159.18mg/kg。此外,基于差异代谢物分析发现,RM1喷0.1%FeSO_4处理后籽粒中的维生素B5、维生素E的含量都表现为上调,说明叶面喷施处理对提高红米的微量元素含量等营养品质起到正向影响。4.基于转录组结果筛选出6个类黄酮合成关键酶基因和3个铁转运相关基因。利用qPCR技术验证靶标基因表达情况,发现喷0.1%FeSO_4处理后使RM1和RM5中色素合成途径上游基因CHS和F3H-3在花后5d-10d的表达量有所提高,下游LAR基因在花后20d-25d的表达量逐渐增加,铁转运相关基因Fe-1和MHX1在颖果发育各时期表达量均有所增长,说明叶面喷施适当的Fe~(2+)对红米中类黄酮合成基因和铁转运基因表达起到一定促进作用。从蛋白表达量结果显示,叶面喷0.1%FeSO_4溶液后,RM1和RM5的上游关键酶CHS和LAR表达量分别在开花20d、25d时达到了最大并且显著增长,验证了叶面喷施适量浓度铁离子能促进红米开花15d之后类黄酮途径关键酶的表达,从而有利于相应类黄酮型色素物质——原花色素积累并稳定增长。综上所述,通过叶面喷施适宜浓度的硫酸亚铁(0.1%)能有效的改善有色米的色素品质及增加谷物中的铁元素含量,故叶面施铁离子处理可作为增强谷物有效铁及稳定外观色素的一种经济、有效的栽培方式。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S511
【图文】：

羟化酶,香豆酸,查尔酮合酶,类黄酮

图 1-1 类黄酮生物合成途径Fig. 1-1 Biosynthetic pathway of flavonoids氨酸解氨酶；C4H：肉桂酸-4-羟化酶；4CL：4-香豆酸辅酶 A 连接酶；CHS：查构酶；F3H：黄烷酮-3-羟化酶；FLS：黄酮醇合酶；F3’H：黄烷酮-3’-羟化酶；F；DFR：二氢黄酮醇 4-还原酶；LAR：无色花青素还原酶；ANR：花青素还原Ts：糖基转移酶物质的代谢调控十分复杂，有多种酶参与，由多种结构基因和些酶的合成受到植物体内转录因子的调控。主要有三种转录因，分别是 MYB 转录因子、b HLH（螺旋-环-螺旋）转录因子和黄酮代谢中结构基因的启动子进行结合，从而调控这些基因芥的研究中，透明种皮 tt 突变体的种皮颜色发生了改变，因此合成中的大多数反应，以及一些特定的 PA 合成反应。tt 突变花青素积累的转录因子包括 TT8、TT2 和 TTG1（MYB 域）（et al 2005）。后来在玉米中发现，C1（MYB）家族和 R/B（

喷施,外观图,品种

269311A 9311-B 9311-C图 3-1 三个品种经过不同处理后的成熟籽粒外观图Fig. 3-1 Appearance of mature grains of three varieties under different treatments注：A 代表喷施 0.2% FeSO4处理；B 代表喷施 0.1% FeSO4处理；C 代表对照，喷施 dd H2ONote: A denotes foliar spraying 0.2% FeSO4; B denotes foliar spraying 0.1% FeSO4; C denotes CK, foliar sprayindd H2O

果皮,显微镜观察,颖果,喷施

27为了更好的观察成熟颖果中色素积累情况，将水稻的颖果竖切后，剥取果皮制成切片，利用荧光显微镜观察（RM5 显微镜切片图未放置）。图 3-2 中的 abc三幅图为不同处理下 RM1 的成熟颖果，d 图为 9311 对照的成熟颖果。白米的果皮中呈现透明，无可见色素，相比之下 RM1 果皮中可看到橙红色的色块，即为色素积累位置。所有的切片及拍照图像均是在同一设置参数下进行，A 和 B 中色块积累比较均匀，相比与 C 中的白色空隙部分更少，并且相比于 C 色素物质积累颜色更深，说明喷施 FeSO4溶液后对成熟的籽粒色素积累有所影响。图 3-2 RM1 和 9311 不同处理后的果皮切片显微镜观察Fig. 3-2 Microscopical section of pericarp for RM1 and 9311 under different treatments注：图 3-2-a 为 RM1 经过 0.2% FeSO4处理后的成熟颖果果皮；图 3-2-b 为 RM1 经过 0.1% FeSO4处理后的成熟颖果果皮；图 3-2-c 为 RM1 未喷施的成熟颖果果皮；d 为 9311 未喷施的成熟颖果果皮Note: Fig. 3-2-a is pericarp of mature grains for RM1 under 0.2% FeSO4; Fig. 3-2-b is pericarp of mature grainsfor RM1 under 0.1% FeSO4; Fig. 3-2-c is pericarp of mature grains for RM1 in CK; d is pericarp of mature grainsfor 9311 in CK3.2 成熟籽粒微量元素含量三个品种经过 FeSO4处理和未处理的成熟籽粒中五种微量元素的含量如表3-1 所示。其中三个品种经过喷 Fe2+处理后铁元素含量都比未喷施的有所增加

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