彩色马蹄莲佛焰苞黑色呈色关键基因挖掘及其调控机理研究

Black flowers are rarely seen, with extremely high ornamental values, but its underlying mechanisms are largely, hindering the black flower breeding. The petals usually show black with low lightness (L *) and low chroma (C *) values, which are closely related to the interaction among the pigment content accumulated in the petals, pigment types and contents, and the key factors vary with different species. The Zantedeschia hybrida featured by elegant flower type, richly colored, and typical black spathe, is an ideal material for delve deeper of the key genes for formation of black flowers. The preliminary study of the research group found that as compared with other color group, the black spathe of Z. hybrida is characterized by significantly highly accumulated anthocyanin and procyanidine. Therefore, this study is designed to anchor its target to regulatory gene, transporter coding gene and epicatechin synthase gene related to the anthocyanin synthesis and transport accumulation, screen the key genes closely related to black formation through the in vitro color phenotypic analysis of accumulated pigment of black spathe, sequencing of spathe transcriptome and analysis of expression profiles, and carry out functional verification by VIGS technique. Thus, it analyzes the regulation mechanism of the key genes on the formation of the black spathe and provides the effective gene resources and an important basis for the molecular breeding of black flowers of ornamental plants.

黑色系花罕见，观赏价值极高，但目前其呈色机理尚不清楚，阻碍了黑色花育种工作。花瓣通常以低亮度（L*）值和低彩度（C*）值呈现黑色，而这与花瓣中所积累的色素含量、色素种类、色素之间相互作用密切相关，且不同物种其关键因子不一样。彩色马蹄莲花型高雅，色彩丰富，具有典型黑色佛焰苞，是挖掘黑色花形成关键基因的理想材料。课题组前期研究发现，彩色马蹄莲黑色佛焰苞较其他色系，具有显著高积累花青素苷以及原花青素的特征。本研究拟以黑色彩色马蹄莲为材料，通过转录组+代谢组联合分析方法筛选黑色佛焰苞形成关键基因，并用VIGS技术对其进行功能验证，解析其对黑色佛焰苞呈色的调控机理，为观赏植物黑色花分子育种提供有效基因资源及重要依据。

花色是观赏植物重要观赏性状之一。黑色系花高贵神秘，极具吸引力，是园艺品种中的珍品。花色的呈色有物种特异性，不同物种黑色花呈色机制有所不同。 彩色马蹄莲花型高雅，色彩丰富，具有典型黑色佛焰苞的品种，是研究黑色花呈色机理的理想材料。本研究以彩色马蹄莲黑色和红紫色佛焰苞为材料，对不同颜色不同发育阶段不同组织，通过色彩表型、解剖结构、转录组、代谢组、表达谱分析以及VIGS技术功能验证的方法，挖掘黑色呈色关键基因，解析黑色佛焰苞呈色机理。.本研究结果如下：从解剖结构分析表明，彩色马蹄莲佛焰苞颜色加深，主要是因为积累大量色素的细胞层数的增加和花青素苷颗粒体的存在；从色素物质组成看，黑色呈色原因是大量积累花青素苷的基础上，高积累的表阿夫茶素和阿夫茶素，二者可转运到液泡中聚合成原花青素聚合物使佛焰苞呈黑褐色，从而降低L*值使颜色变暗，同时β-异戊烯以及叶绿素衍生物也可能使颜色更暗；从基因表达分析看，CHS1，F3H1，DFR1，DFR2，ANS1，A3GT1在第二阶段黑色佛焰苞上表皮中表达量最高，且基因表达模式相近，这些基因群是黑色佛焰苞中参与花青素苷和原花青素合成的主要成员；基因表达和代谢物关联分析发现，ANR3与表阿夫茶素显著正相关，ANR3表达量又与GST9高度相关，推定二者共同完成表阿夫茶素的合成及转运积累，故认为是使佛焰苞呈黑色的关键基因，当然黑色的呈色仍以大量积累花青素苷为前提。进一步分离克隆两个基因，进行序列分析，并利用VIGS技术在佛焰苞中进行干扰表达，均获得了褪色的表型变化，证实了二者在佛焰苞呈色中的功能。另外，通过转录组和代谢组关联分析，推定了黑色和红紫色佛焰苞中类黄酮、类胡萝卜素、叶绿素合成途径，筛选出了可能和黑色佛焰苞呈色相关的候选基因PDS、POR，有待于进一步评价二者对呈色的影响。本研究结果将为解析其他物种黑色花呈色机理、为黑色花新品培育提供了依据，并为黑色花分子育种提供了有效基因资源。.