芍药花色苷积累差异的生理机制研究

芍药(Paeonia lactiflora Pall.)是广泛应用于园林绿化、盆栽和切花生产的高档花卉。由于不同消费群体、不同的应用方式对芍药的花色要求不同,因此,培育不同花色的芍药新品种已是花卉工作者研究的重要方向。本文选取红色的‘大富贵’和粉色的‘晴雯’两个芍药品种为研究材料,测定了两者在植株形态、花色、花色苷成分及含量、花色苷生物合成相关的结构基因的表达水平、花瓣可溶性糖含量、光合性能几方面的差异,探讨了芍药花色苷积累差异的生理机制,以期为今后调控芍药花色提供理论基础,研究主要结果如下： (1)利用HPLC-MS技术对两个品种四个不同发育时期的花色苷和黄酮进行定性、定量分析,鉴定出花色苷2种：矢车菊色素-3,5-O-二葡萄糖苷、芍药色素-3,5-O-二葡萄糖苷,黄酮5种：槲皮素-二葡萄糖苷、山奈酚-二己糖苷、异鼠李素-二己糖苷、槲皮素-3-O-鼠李糖苷、毛地黄-7-O-葡萄糖苷。定量分析结果表明,两个品种的四个时期的花瓣中含有的花色苷与黄酮种类相同,但含量不同。花瓣红色深浅与花色苷的含量直接相关,花色苷含量越高则花瓣越红。‘大富贵’基本不出现共色效应,而‘晴雯’则出现共色效应,无色或浅黄色的黄酮与花色苷等结合成共色素,在一定程度上弱化了花色苷的颜色。 (2)克隆了芍药PlC4H基因,GenBank登录号为KC137571。该基因序列全长1808bp,包含一个编码了505个氨基酸的1518bp的开放阅读框,其编码的氨基酸序列与橄榄、丹参、桔梗、苹果以及亚洲棉等植物的C4H有较高的一致性和相似性。核苷酸序列分析发现,PlC4H有P450酶的一些典型的特征结构,如E363-R366-R420三联体结构、含T结合槽基序、P34PGP37四肽保守域、血红素铁的结合域、以及5个底物特异性识别位点(SRS1、2、4、5、6)。 (3)通过Q-PCR技术分析了两个品种4个时期PIPAL、PlC4H、PlCHS、PlCHI、 PlF3H、PlF3'H、PlDFR、PlANS、PlUF3GT以及PlUF5GT共10个相关基因的表达水平。结果表明,导致花色苷积累水平不同而使‘大富贵’和‘晴雯’两个芍药品种花色呈现红色和粉色差异的关键基因是花色苷合成途径上游的PlPAL、PIF3'H和下游的PlANS、 PlUF3GT。PIPAL基因的高水平表达,使‘大富贵’中积累了较多的4-香豆酰-CoA,之后的几个基因如PIC4H,PlCHS,PlCHI, PlF3H有较低的表达水平,因此中间途径中产生的黄酮类物质较少。但是最终由于下游基因PlANS, PlUF3GT的高表达量,这些黄酮类物质得到了较高的利用率,被催化合成了大量的有色花色苷,使花瓣颜色更红。 (4)采用LI-6400光合仪对两个芍药品种的光合性能进行测量,结果表明,相对较高的Pmax、LSP、AQY和相对较低的LCP使得‘大富贵’有比‘晴雯’更高的光合效率,而‘大富贵’一天内的光合产物积累量也高于‘晴雯’,从而可以积累更多糖类。但可溶性糖含量的测量结果却表明,‘大富贵’的可溶性糖含量低于‘晴雯’。不同时期花瓣的花色苷含量与可溶性糖含量呈负相关。