玫瑰远缘杂交后代黄色花显色机理研究

摘要

玫瑰（Rosa rugosa）起源于中国，属于蔷薇科蔷薇属，花形优美，花香四溢，是重要的园林观赏植物。花色作为玫瑰一种主要观赏特性，直接影响其观赏价值。野生和栽培玫瑰花瓣颜色大多是紫红色、粉色，少量白色，缺少黄色。虽然前人也曾培育出多个新品种，但从来没有得到过开黄花的玫瑰。因此，花色限制了玫瑰在园林中的应用。我们实验室利用玫瑰资源，进行远缘杂交，培育出了四个玫瑰新品系：‘乳蝶翩翩’、‘妙玉’、‘娇媚三变’和‘四季黄玫’，这些新品系的花瓣呈黄色，或淡黄色。是何种内部因素导致这些新品系的花瓣与原有玫瑰品种不同而呈现黄色，是一个重要的研究课题。 本研究以黄刺玫（Rosa xanthina）、野生玫瑰类型‘珲春’（Rosa rugosa‘Hunchun’）以及它们的四个杂交新品系‘乳蝶翩翩’（Rosa rugosa‘Rudiepianpian’）、‘妙玉’（Rosa rugosa‘Miaoyu’）、‘娇媚三变’（Rosa rugosa‘Jiaomeisanbian’）和‘四季黄玫’（Rosa rugosa ‘Sijihuangmei’)初开期花瓣为植物材料，对其花瓣中矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（Cyanidin 3-O-glucoside，Cy3G）、矢车菊素-3，5-二葡萄糖苷（Cyanindin-3，5-diglucoside chloride，Cy3G5G）、天竺葵素-3-O-葡萄糖苷（Pelargonidin 3-O-glucoside，Pg3G）等7种色素进行了定性定量分析。以野生玫瑰‘珲春’初开期花瓣为试验材料，根据转录组数据克隆得到类黄酮途径中的两个关键结构基因RrFLS和RrF3’H，进行了生物信息学分析。此外，利用实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR），对RrCHS、RrCHI、RrF3H等七个结构基因在黄刺玫、野生玫瑰类型‘珲春’以及其四个杂交品系‘乳蝶翩翩’、‘妙玉’、‘娇媚三变’和‘四季黄玫’初开期花瓣中的表达水平进行了分析。主要研究结果如下： 1、首次以野生玫瑰类型‘珲春’花瓣为材料，克隆得到两个类黄酮途径中的关键基因RrFLS和RrF3’H。其中RrFLS（GeneBank登录号为MG735185）开放阅读框1005bp，编码335个氨基酸；RrF3’H（GeneBank登录号为MG735186），开放阅读框1530 bp，编码510个氨基酸。 2、RrFLS和RrF3’H两个结构基因非常稳定和保守。RrFLS属于2OG-Fe(II)_ oxy超级家族，RrF3’H属于P450家族，都具有相应的保守结构域。经比对，RrFLS和RrF3’H基因编码的氨基酸与桃（Prunus persica）、甜樱桃（prunus avium）、梅花（Prunus mume）等同科植物中的同一基因编码的氨基酸具有较高的相似度，可达到80%以上，具有较高的同源性。 3、RrFLS和RrF3’H 基因编码的蛋白分子式分别为 C1731H2681N443O502S9和C2666H4149N699O734S24；蛋白的二级结构均以α-螺旋（Alpha helix）、随机卷曲（Random coil）、β转角（Beta turn）和延伸链组成（Extended strand），并以α-螺旋和随机卷曲为主；均含有大量磷酸化位点，含有糖基化位点；RrFLS基因编码的蛋白为稳定的亲水蛋白，不具有信号肽和跨膜结构，RrF3’H 基因编码的蛋白为不稳定的亲水蛋白，有信号肽，具有跨膜结构。 4、Cy3G、Cy3G5G、Pg3G、Pg3G5G、Pn3G和Pn3G5G六种花青苷均在‘珲春’中被检测到，Cy3G5G只有在‘妙玉’和‘娇媚三变’品系中被少量检测到，黄刺玫及其它品系花瓣中未检测到花青苷成分，说明除了‘珲春’外，在黄刺玫及其它品系花瓣中只存在合成矢车菊素的一个花青素合成途径。高效液相色谱测定的结果显示，在黄刺玫、野生玫瑰类型‘珲春’以及其四个杂交品系中，查耳酮的含量均很低，查耳酮不是使花瓣呈现黄色的主要物质。 5、利用实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）对RrCHS、RrCHI、RrF3H、RrF3’H、RrFLS、RrDFR和RrANS七个结构基因在黄刺玫、野生玫瑰类型‘珲春’以及它们的四个杂交品系‘乳蝶翩翩’、‘妙玉’、‘娇媚三变’和‘四季黄玫’初开期花瓣表达水平进行了分析。结果表明，RrFLS、RrDFR和RrF3’H是使玫瑰花瓣呈现不同颜色的重要基因。 6、二氢黄酮醇 4-还原酶（DFR）在黄刺玫和四个杂交品系中的催化作用具有一定的特异性。黄酮醇合成酶（FLS）和类黄酮3’-羟化酶（F3’H）在‘乳蝶翩翩’和‘娇媚三变’花瓣中对底物二氢槲皮素竞争力的差别使黄酮醇和花青苷的含量产生变化，导致花色的改变。

目录

声明

符号说明

1 引言

1.1玫瑰概况

1.2花卉品质改良研究进展

1.3玫瑰花色研究进展

1.4黄色花研究进展

1.4本研究的目的和意义

2 材料与方法

2.1主要色素成分分析

2.2玫瑰FLS基因及F3’H基因的克隆

2.3 类黄酮途径关键基因的表达分析

3结果与分析

3.1花瓣色彩及色素构成

3.2 玫瑰RrFLS基因及RrF3’H基因的克隆结果

3.3 RrFLS基因及RrF3’H基因生物信息学分析

3.4类黄酮途径关键基因的表达分析

4讨论

4.1花瓣色素及合成途径差异

4.2花色形成原因

4.3RrFLS和RrF3’H基因序列分析

4.4RrFLS基因和RrF3’H基因的生物信息学分析

5 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文