花药类胡萝卜素合成途径调控机理
批准号:
32072620
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
张大生
依托单位:
学科分类:
观赏园艺学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张大生
中文摘要
花药是被子植物雄蕊产生花粉的特殊器官,为吸引昆虫和方便传粉,花粉表面通常覆盖有脂类、色素、挥发性物质等次生代谢物。近年来对花粉外壁孢粉素、类黄酮的生成机制研究较多,但对类胡萝卜素的形成仍知之甚少,主要原因是缺乏类胡萝卜素代谢突变体。我们新发现一个橙红色花药的荷花隐性突变体,是目前两千余个荷花品种中唯一具有橙红色花药的品种。检测发现,橙红色源于类胡萝卜素的积累,且类胡萝卜素仅在花药绒毡层和花粉表面积累。转录组检测发现类胡萝卜素合成代谢途径中的多个关键酶基因的表达上调,推测可能更上游的调控因子发生了突变。在此基础上,我们拟通过建立遗传群体进行定位,鉴定获得调控类胡萝卜素形成的因子,并阐明橙红色花药形成机制及遗传规律。研究结果将揭示类胡萝卜素参与花药和花粉发育的代谢和遗传调控方式,丰富对植物花药色泽组成及形成机制的认识,也为植物的杂交育种提供新的理论依据。
英文摘要
Anther is the important male reproductive organ of stamen to produce pollens in angiosperms. To attract insects and facilitate pollination, the outermost stratum of the pollen surface is mainly composed of lipids, pigments, aromatic substances, and other unknown compounds. In recent years, the mechanisms of sporopollen formation and flavonoids synthesis on pollen are deeply explored, however the mechanism on the formation of carotenoids is still poorly understood. The main reason is due to the lack of mutant of carotenoids. Recently, a recessive mutant with orange anther was explored in lotus, which was the unique cultivar with orange anther among more than 2000 cultivars of lotus so far. The orange color was caused by the increase of carotenoids content through the GC-MS analysis, and color only existed on the tapetal cells and pollen surface. Comparison with the transcriptome of yellowish anther, a number of key enzyme genes involved in carotenoids biosynthesis pathway were up-regulated, which implied that one or more upstream transcription factors may regulate the carotenoids metabolism. On this basis, we intend to establish a genetic population to find the transcriptional factors regulating the formation of carotenoids, and to clarify the formation mechanism of orange anther. This study will reveal the model for carotenoids metabolism and genetic regulation in anther and pollen development, enrich the understanding of the mechanism of plant anther color and composition, and provide theoretical guidance for plant cross breeding.
花药和花粉是被子植物进行有性繁殖必不可少的组织,被子植物中大部分花药和花粉都呈现黄色,很少有其他颜色的花药和花粉存在。花粉表面是各种脂类物质的重要积聚场所,花粉外壁覆盖物包括挥发性物质、脂类、色素和一些次生代谢物。近年来对花粉外壁的孢粉素、类黄酮的生成机制研究较多,但对类胡萝卜素的形成研究还是空白,主要原因是缺乏产生类胡萝卜素的突变体。我们首次发现印度地区存在橙红色花药的突变品种,这是迄今为止在两千余个荷花品种中发现的唯一具有橙红色花药的品种。橙红色花药发育的不同阶段存在由白色转变成黄色,最后变成橙红的过程,变色的时期主要集中在花粉单核靠边期。橙红色色素存在的位置主要聚集在花药绒毡层、花粉内部和外壁,其主要成分为类胡萝卜素成分,番茄红素、β-类胡萝卜素、β-阿朴胡萝卜素醛含量的升高是导致橙红色颜色产生的原因。TEM电镜显示类胡萝卜素的合成主要在花粉和绒毡层细胞中进行,在小孢子发育早期即开始类胡萝卜素的合成和积累,并且小孢子中类胡萝卜素的形成要早于绒毡层中类胡萝卜素的形成,花粉表面类胡萝卜素的积累可能是小孢子和绒毡层共同作用的结果。不同的转录组对比显示,与类胡萝卜素代谢有关的关键酶基因DXS, GGPPS, PSY, ZDS, LYCB, CIS, CCD4都在橙红色花药中特异性高表达,其中CCD4酶的高表达导致了β-阿朴胡萝卜素醛途径的形成,最终产生了橙红色。我们组装了印度莲的基因组,并通过构建遗传群体、BSA初定位和CAPs精细定位找到新的调控因子STRG.20770.1,有望提出调控类胡萝卜素代谢途径的新机制。这些研究结果对揭示花药和花粉颜色的形成、花粉表面类胡萝卜素形成机制、对将来培育新的荷花品种都具有非常重要的理论指导意义。
美洲莲全基因组结构变异分析及纯种检测试剂盒的开发
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批准号:22ZR1422400
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2022
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负责人:张大生
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依托单位:
NeTP-1(Nelumbo THOUSAND PETALS-1)基因调控‘千瓣莲’形成的机理
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批准号:31572158
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2015
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负责人:张大生
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依托单位:
国内基金
海外基金