玉米籽粒花青素合成关键调控基因的筛选与功能分析

Purple corns are rich in anthocyanins. However, for the lower content of anthocyanins in harvest time, its sensory and nutritional quality was poor. Generally, the anthocyanins were only deposited in pericarp or aleurone layer for its tissue specific pigmentation. So, the discovery of regulation genes will be helpful to increase the anthocyanins content, and further improve the sensory quality. In our present studies, we innovated two recombinant inbred lines of purple corn: Ha0414 and Ha6130 from a hybrid combination. Among them, for Ha6130, the anthocyanins were deposited in pericarp. For Ha0414, the anthocyanins were deposited in aleurone layer. In this study, both inbred lines will be selected for comparison with each other. By transcriptome sequencing, annotation and comparative analysis of pericarp and aleurone layer, the differentially expressed genes will be screened. We will focus on the tissue-specific deposition in aleurone layer and pericarp to detect the candidate regulation genes for anthocyanins biosynthesis. By constructing overexpression and gene interference vector, the function of candidate genes will be verified. The accomplishment of this work will find the key regulation genes for anthocyanin biosynthesis and further explain the molecular mechanism for tissue-specific accumulation, which will provide theoretical foundation for understanding of trait differentiation for pericarp and aleurone layer in Zea mays.

鲜食紫玉米富含花青素，但采摘期花青素含量较低，影响其感官及营养品质。花青素合成存在组织特异性，只沉积于籽粒果皮与糊粉层组织，通过发掘调控花青素合成的关键基因，采用调控手段可望提高鲜食玉米籽粒采摘时的花青素含量。项目组前期工作中创制了着色位点存在差异的紫玉米重组自交系Ha0414（果皮紫色，糊粉层无色）与Ha6130（果皮无色，糊粉层紫色），本项目以此为材料，对籽粒果皮、糊粉层进行转录组测序，通过基因注释及比对分析，筛选差异表达基因；针对花青素着色果皮或糊粉层的位点差异，发掘调控花青素合成的关键基因并进行克隆，通过候选基因的过量表达与RNAi抑制表达，进行基因功能验证，以期阐明花青素合成基因组织特异性表达的分子机制，为进一步明确花青素生物合成的调控机制，改善鲜食紫玉米感官与营养品质，了解玉米果皮、糊粉层相关性状发生的分子基础提供理论依据。

鲜食紫玉米是一种具有天然色彩的彩色玉米，由于其籽粒果皮或糊粉层富含花青素，被认为是具有保健价值的黄金食品，但目前的鲜食紫玉米品种存在着色慢，完全着色时籽粒发硬而不能食用的缺点。为此，项目组围绕玉米籽粒发育过程中花青素的合成积累规律开展研究，采用比较转录组学发掘调控玉米籽粒花青素合成的结构基因与调控基因。研究结果表明，玉米籽粒果皮中的花青素在授粉后即开始合成，糊粉层中花青素的合成则起始于授粉10天后，果皮中花青素含量明显高于糊粉层，且果皮中花青素组分与糊粉层中相近。通过对有无花青素合成的相同组织果皮、糊粉层开展比较转录组分析，从中筛选到直接参与花青素合成的结构基因227个、调控基因5个，对授粉后15天、20天、25天差异表达基因的聚类分析表明，调控基因Lc与花青素还原酶、黄烷酮3’羟化酶、查尔酮合成酶C2，4-香豆酸辅酶A连接酶、黄烷酮3-羟化酶，以及黄酮醇合成酶表达变化规一致；调控基因C1、R-S与黄酮醇合成酶、二氢黄酮醇还原酶、花青素合成酶表达较为一致，相关网络互作分析表明，花青素合成调控基因与表达相一致的结构基因均存在明显的相关互作关系。为了探明花青素在籽粒果皮、糊粉层合成的组织特异性，项目组结合获得的胚乳、叶片的转录组数据，对参与花青素合成的基因进行表达分析，结果表明，调控基因Lc、R-S蛋白，以及结构基因查尔酮合成酶C2、黄酮醇合成酶SRG1、花青素还原酶、黄烷酮3’-羟化酶仅在玉米籽粒果皮中表达，组织特异性强，调控基因C1与其他基因在胚乳、叶片均有不同程度的表达。项目围绕玉米籽粒中花青素的合成与调控开展研究，为下一步深入探明玉米籽粒花青素合成的组织特异性及其调控机制奠定了坚实的基础。同时，项目执行过程中，项目组同时建立了果皮、糊粉层花青素玉米自交系的创制办法，并创制了不同类型的紫色糯玉米材料，可为进一步开始花青素合成的调控研究，以及鲜食玉米育种应用提供重要的材料资源。