苹果根皮苷的生物学功能分析

发布时间：2020-05-12 01:01

【摘要】：根皮苷(根皮素2'-O-葡萄糖苷)是苹果(Malus×domestica)中最主要的二氢查尔酮,也是含量最高的酚类化合物。在苹果叶片中,根皮苷含量可高达可溶性总酚的90%和干重的18%左右。在苹果属以外的植物中,根皮苷均没有如此之大的积累量,根皮苷的积累是苹果在植物界中独一无二的特性之一。然而,目前苹果根皮苷的生物学功能尚不清楚。本研究利用苹果种质资源二氢查耳酮的多样性(含量和种类),鉴定出苹果体内催化根皮素合成根皮苷的关键糖基转移酶P2'GT(UDP-glucose:phloretin2'-O-glucosyltransferase),MdUGT88F1。通过改变苹果MdUGT88F1基因的表达水平,获得了根皮苷含量发生改变的转基因苹果植株。随后利用转基因植株和根皮苷含量差异的苹果种质资源,初步解析了根皮苷在苹果生长发育和逆境胁迫中的功能和相关作用机制。主要研究结果如下:1.采用HPLC系统分析了411份苹果种质成熟叶片中的二氢查尔酮组成和含量。根皮苷作为苹果属植物中最主要的二氢查尔酮,其含量呈典型正态分布,表现出数量性状积累特征。苹果二氢查尔酮糖苷的组成(根皮苷、三叶苷和三羟基三叶苷)可能主要取决于P2'GT和P4'GT(UDP-glucose:phloretin 4'-O-glucosyltransferase)活性。通过对UGT(UDP-dependent glycosyltransferase)基因表达水平和根皮苷含量进行关联分析,鉴定出一个关键P2'GT基因UGT88F1,其表达水平直接决定了苹果属植物的根皮苷含量。苹果UGT88F亚家族分析和体外蛋白催化试验发现,MdUGT88F1的旁系同源蛋白MdUGT88F4,也参与催化根皮素合成根皮苷。2.亚细胞定位发现MdUGT88F1和MdUGT88F4均定位于细胞核和细胞质。在苹果叶片生长发育过程中,MdUGT88F1(和MdUGT88F4)能通过转录反馈调节机制,维持根皮苷生物合成的相对稳定。当MdUGT88F1(和MdUGT88F4)基因被RNAi(RNA interference)干扰后,转基因植株体内根皮苷含量大幅度减少,三叶苷积累,植株生长发育严重受阻,表现为茎节间长度变短、叶片细长、茎分枝变多和侧根减少。研究分析发现,在RNAi干扰植株中,减少的根皮苷,通过调节苯丙烷素途径流通量,间接造成木质素合成积累减少;同时,通过间接减少肌醇含量,造成植株细胞壁果胶组成发生变化,最终植株表现细胞壁沉积(cell wall deposition)受干扰,生长发育受阻。3.MdUGT88F1介导的根皮苷生物合成负调控苹果腐烂病抗性。接种苹果腐烂病菌Valsa mali后,与GL-3(未转化的苹果植株)相比,MdUGT88F1过表达苹果植株中过量的根皮苷直接被V.mali利用,用于促进病原菌的生长和毒素产生,导致植株抗病能力稍微减弱;而在RNAi干扰植株中,根皮苷含量减少不仅能直接限制病原菌生长和毒素产生,而且还能通过间接干扰细胞壁沉积,介导SA和ROS积累。同时,组织紧密性加强和大量积累的SA与ROS直接限制了V.mali的侵染,最终干扰植株表现为生长发育受抑制,抗病能力增强。4.MdUGT88F1介导的根皮苷生物合成与苹果的强光耐受性密切相关。自然条件下,MdUGT88F1过表达苹果植株体内过量的根皮苷导致植物氮代谢紊乱,致使氮素亏缺和叶绿素减少,植株最终表现出对自然强光(或UV辐射)胁迫敏感。相反,RNAi干扰植株中根皮苷含量减少,相应地促进了氮素积累和再利用。这些结果表明,在自然强光胁迫下,苹果植株可能通过降低根皮苷的生物合成,改善植株体内的氮素代谢,转而提高植株对强光的耐受力。
【图文】：

二氢查耳酮,二氢查尔酮,植物界,物种数

二氢查耳酮在植物界的分布(数字代表每个植物目中有二氢查耳酮积累的物种数) (R2016)Fig. 1-1 Distribution of DHCs in botanical orders (number of species containingDHCs per order).单子叶植物中，，二氢查尔酮主要分布在泽泻目(Alismatales)、天门ragales)、薯蓣目(Dioscoreales)、百合目(Liliales)和棕榈目(Arecales)。例如的龙血树(Dracaena)能合成羟基化和甲氧基化的二氢查尔酮分子(Yong Su et al. 2014)；薯蓣目中的 Tacca 能积累具有细胞毒性的二氢查尔酮分ihydrochalcones (Peng et al. 2010)。另外，姜科(Zingiberaceae)的多个属也能耳酮，例如 Etlingera littoralis 中的异戊二烯化二氢查尔酮，etlinglire 2016)。双子叶植物中，二氢查尔酮则集中分布在豆目(Fabales)和蔷薇目(Rosale(Fabaceae)类植物均能积累简易二氢查尔酮分子、异戊二烯化二氢查尔酮

二氢查尔酮,组成模式,苹果,结构式

西北农林科技大学博士学位论文合成积累显著关联。另外，三羟基三叶苷的积累对三叶苷存在依赖性。因为，在苹果野生种质资源或者杂交后代中，均未发现三羟基三叶苷能独立于三叶苷存在(DugédeBernonville et al. 2011; Zhou et al. 2017; Gutierrez et al. 2018ab) (图 1-2 b)。
【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】：2019
【分类号】：S661.1

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