梅花花香相关BAHD家族基因挖掘及功能分析

Floral scent is an important characteristic for attracting pollinators to ensure the product of the crop and to protect the plants from enemies. Floral scent can enhance the value of ornamental plants and cut flowers. The products of floral scent have always been used in food, cosmetic and health care. Prunus mume has been cultivated in China for a long times, it can emit characteristic floral scent differing from the other Prunus species. Benzyl acetate is the dominant compound of the volatiles of the P. mume. Acyltransferase is involved in the biosynthesis of benzyl acetate, a large family of acyltransferases named BAHD were discovered recently in plants. The BAHD members are used as modifying enzymes that catalyze different substrates including alcohols in secondary metabolites. However, the catalytic versatility of individual enzymes varies extensively. The metabolic pathway of benzenoids has received considerable attention in recent years. In our research, based on the predicted BAHD members, the bioinformatics, gene expression profiling, in vitro enzymatic reaction and transgenosis in model plant will be used for the gene mining and function study of specificity genes which catalyzed benzyl alcohol to benzyl acetate in P. mume. These analyses will enrich the substrate specificity of BAHD members. In addition, this study enable us to execute further investigation of the molecular mechanism and evolutionary process of floral scent in P. mume, and it is also essential for floral scent breeding of Prunus species.

花香是植物重要的特征，在自然界有保障植物授粉结实、防御病虫的作用。花香能提高花卉的观赏性，花香产品在食品、日化、医疗保健等方面都有重要作用。梅花相对其它李属植物能够释放独特的花香，而乙酸苯甲酯是梅花香气的主要成分。乙酸苯甲酯的生成与酰基转移酶的参与有关，植物中存在多种被命名为BAHD的酰基转移酶基因。BAHD家族在次生代谢中有着重要的修饰作用，涉及包括醇类在内的多种反应底物，不同的酰基转移酶有不同的底物选择性。目前国内外未见通过挖掘BAHD家族信息成功获得高效催化苯环类底物基因研究的报道。本研究以梅花基因组中存在的BAHD家族基因为研究对象，通过生物信息学、基因表达分析、纯化蛋白体外酶促反应、转基因模式植物等方法挖掘该家族基因并进行功能分析，以期能够确定梅花中特异利用苯甲醇生成乙酸苯甲酯的基因。该研究能进一步了解BAHD家族的底物选择性，阐明梅花花香分子机理，并为李属香花育种提供支持。

梅花是李属植物中唯一具有特征花香的植物，其主要成分是乙酸苯甲酯，丁子香酚也是构成梅花特征花香的重要成分。乙酸苯甲酯和丁子香酚的生物合成都与酰基转移酶BAHD的参与有关。本研究探明了梅花花香成分乙酸苯甲酯的合成和释放规律随着花朵开放逐渐升高，在盛花阶段达到峰值，而后随着花朵的衰败而下降，而丁子香酚的合成和释放规律随着开花进程逐渐升高，在末花期达到峰值。其中，花瓣和雄蕊是乙酸苯甲酯和丁子香酚合成和释放的主要部位。从梅花基因组鉴定获得重要梅花PmBAHD家族基因，并进行了基因功能验证。研究发现苯甲醇乙酰转移酶基因PmBEAT在梅花基因组中存在44个拷贝，而在李属植物桃的基因组中只有2个拷贝，这表明梅花在物种形成过程中发生了PmBEAT基因扩增，其中逆转录复制和串联复制是两种主要的复制模式。桃的两个PpBEAT基因只在茎和叶中表达，在花中不表达。逆转录复制获得的基因通常因没有转录调节序列而没有功能，而44个PmBEAT基因在漫长的进化过程中形成了多样的表达模式，其中2个PmBEAT基因在花器官中高水平表达，导致梅花花朵具有较高的苯甲醇乙酰转移酶活性，最终使梅花产生特征花香。另外，还对丁子香酚合成重要基因松柏醇乙酰转移酶PmCFAT和丁子香酚合酶PmEGS基因进行了克隆和表达模式分析。此外，在梅参考基因组的基础上，通过收集的348份具有高度遗传多样性的中国梅花品种，对这些品种进行了低覆盖率的测序，由此构建出一张高分辨率的梅花单倍体型图谱。结合对这些品种的花色，花香，花型和株型等性状的调查，通过全基因组关联分析，定位到多个关联位点，进一步定位与这些相关性状相关的候选基因，为梅花遗传学研究和育种改良提供了一份重要的资源，开辟了高效定位控制梅花观赏性状基因的新途径，为进一步快速挖掘梅花的遗传资源奠定了基础。