苹果果皮色泽遗传特性及花青苷合成相关基因的表达分析

发布时间：2020-05-09 22:21

【摘要】：果实色泽是苹果果实重要的外观质量指标,很大程度上决定着果实的商品价值。果实的着色程度与果皮花青苷含量密切相关,同时花青苷也是果实重要的功能营养成分。研究苹果果皮色泽的遗传特性及调控机制,改善果实色泽和提高果皮花青苷含量是苹果育种及相关领域研究关注的热点。本研究以“粉红女士×富士”、“秦冠×富士”、“嘎拉×富士”等杂交组合的F_1群体为材料,对苹果果皮色泽的遗传趋势进行了田间调查分析;以杂交后代典型个体及不同色泽类型代表性品种为试材,以基于色差计的果实色泽参数为基础,初步建立了苹果果实色泽的量化评价方法。同时,以‘红星’、‘金冠’、‘秦冠’和‘澳洲青苹’等品种为材料,对与果皮花青苷合成相关的调控基因及结构基因进行了鉴定和表达分析。旨在进一步探究苹果果皮色泽的形成及其调控机理,为苹果色泽育种和改善果实色泽的栽培技术提供理论依据。取得的主要研究结果如下:(1)以“粉红女士×富士”、“秦冠×富士”、“嘎拉×富士”3个杂交组合后代群体为试材,对其果实表色和底色的色泽类型进行了调查,并对“粉红女士×富士”杂交后代部分植株的果皮色素含量做了测定。结果发现,果实的表色遗传与底色遗传相互独立,果皮红色对非红色为显性。表色遗传并不遵循单基因控制的质量性状的分离特点,也不遵循多基因控制的数量性状的分离特点;表色分离在3个杂交组合中差别较大,同一组合在不同的成熟期,红色与非红色植株的分离比存在显著差异,成熟期越晚,红色株系出现的比率越高,这些结果表明基因与环境因素相互作用,共同决定了果实表色的表现。果实底色的表现型同样也呈现由基因型和环境因素共同作用的特点。F_1代植株的底色类型和程度,主要受亲本底色类型影响,同时受成熟期影响也较大,同一组合内成熟期越晚的后代,其绿色型底色出现的频率越高。此外,果皮类胡萝卜素和叶绿素含量显著相关,说明果实底色类型(黄色或绿色)可能并不是完全独立的。从对杂种后代的分析看,果皮类胡萝卜素和叶绿素含量的频率分布均接近正态分布,表现出多基因控制的数量性状的特点。(2)选取杂交后代典型个体及不同色泽类型代表性品种,利用色差计法对不同色泽类型果实的色泽参数进行了测定,并做了相关性分析和主成分分析。结果表明,果实表色评分与果实表面a*值的变化呈显著正相关,而与L*、b*和h~o值呈显著负相关(P0.01);果实底色评分与果实表面L*和a*值呈显著正相关(P0.01),果实色泽参数L*、a*、b*、h~o之间也存在不同的相关性。主成分分析发现,果面L*值、b*值、h~o等主要决定了果实表色评分,而a*值、b*值、L*值、h~o均不同程度地参与了果实底色评分的构成。依据主成分分析的结果,选用L*值和h~o值两个指标作为定义果实色泽最基础的参数,同时将a*值、b*值也作为辅助的参考指标,定义了各色泽描述符所对应的L*、h~o、a*、b*值范围,最终提出了利用色差计对苹果果实着色面积、底色、表色进行评判的基本方法。(3)对‘红星’、‘金冠’、‘秦冠’、‘澳洲青苹’4个品种果实不同发育阶段的果皮色泽参数、花青苷含量和其它通过苯丙烷代谢途径合成的多酚类物质含量进行了测定分析。结果表明,苹果果实发育过程中色泽参数L*、a*、b*值的变化与果实颜色变化的趋势基本一致,果面L*值总是伴随着果实红色加深呈下降趋势,而a*值则呈上升趋势。果皮花青苷在果实发育过程中有两个合成高峰期——幼果期和成熟期,不同品种果皮花青苷的主要成分均是矢车菊素-3-半乳糖苷,但同一时期不同品种间果皮花青苷含量存在一定差异。幼果期‘秦冠’和‘金冠’果皮中花青苷的含量显著高于‘红星’和‘澳洲青苹’,而果实成熟期花青苷的合成仅发生在红色品种‘秦冠’和‘红星’中。果皮中二氢查尔酮、黄酮醇和黄烷醇的含量在幼果中最高,与花青苷一样,在盛花期后20 d或30 d达到峰值后开始迅速下降,在果实膨大过程中基本保持稳定。在果实接近成熟时,果皮中黄酮醇的含量有所上升,但果皮原花青素的含量仅在红色品种果皮中有明显的上调。(4)利用已经发表的与果实花青苷合成相关的MYB和bHLH基因,以及苹果和梨的UFGT基因,在苹果基因组中鉴定出了2个MYB1基因,2个bHLH3基因,3个bHLH33基因和4个UFGT基因,对它们在不同色泽类型苹果品种果实花青苷合成的两个高峰期的表达进行了分析。结果表明,MdbHLH3-2、MdbHLH33-2、MdbHLH33-3、MdUFGT1和MdUFGT3表达水平的变化与果皮花青苷积累没有明显的相关性。MdbHLH3-1和MdbHLH33-1的转录水平不论是在幼果期还是成熟期的果实着色过程中与果皮花青苷积累始终呈正相关。但是,MYB1和UFGT家族的表达模式在不同品种间和果实发育的不同时期都有所差别。MdMYB1a和MdUFGT2的表达水平在深红色果皮的幼果中要高于着色浅的幼果,而MdMYB1b和MdUFGT4在红色品种成熟过程中表达水平的变化与花青苷合成正相关。虽然MdMYB1a、MdMYB1b、MdbHLH3-1、MdbHLH33-1、MdUFGT2和MdUFGT4都参与了苹果果皮的花青苷合成,但是它们在果实发育的不同时期可能扮演了不同的角色。(5)对‘红星’、‘金冠’、‘秦冠’、‘澳洲青苹’果实进行套袋处理,测定了果实解袋后的着色过程中上述与花青苷合成相关的基因的表达水平。结果表明,套袋抑制了果实的花青苷合成,解袋后,果皮迅速开始花青苷的合成,与花青苷合成相关的结构基因和调节基因的表达水平在果实解袋后迅速上调,但不同品种间果皮花青苷含量和相关基因的表达模式各不相同。两个红色品种‘红星’和‘秦冠’果皮中花青苷含量最高,绿色品种‘澳洲青苹’果皮也积累了一定水平的花青苷,而黄色品种‘金冠’果皮中花青苷水平最低。MdMYB1a、MdMYB1b、MdbHLH3-1和MdbHLH33-1等调节基因的表达水平在4个品种解袋后的果实中均有不同程度的上调,其中在‘红星’和‘澳洲青苹’果实中表达高峰出现得最早。MdUFGT2仅在‘金冠’、‘澳洲青苹’和‘秦冠’解袋果实中表达,而MdUFGT4的表达水平仅在红色品种果实解袋后有所上调。
【图文】：

转录因子,花青苷,相互作用模型

（Takos et al. 2006a；Wei et al. 2011；Wei et al.B 等转录因子，可能是通过调节 UFGT 的表达）。合成的调节基因成的调控机制已在多种植物体内得到广泛的研的表达调控主要发生在转录水平，主要通过转的在时间和空间上的表达（如图 2-1 所示），晓芬等 2013；Davies and Schwinn 2003；Koes et的参与调控花青苷合成的转录因子可以分为三子（Transcription factors，TFs），，许多研究者已大类转录因子在进行了分离、功能鉴定以及作；Dubos et al. 2010；Gonzalez et al. 2008；Wink种果树中得到了克隆（如表 1-1 所示），目前萄、苹果、梨、草莓等（刘晓芬等 2013；Peng

色彩空间,指标,评价体系,亮度

第一章文献综述体系，该评价体系由国际照明委员会（Internationa布，也叫 CIEL*a*b*（Fairchild 2005）。该评价体系以（0 到 100.0）表示亮度，L*值越大则表示亮度越大；a色，为正时表示红色，绝对值越大则表示颜色越深；b色，为正时表示黄色，绝对值越大则表示颜色越深（如
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S661.1

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