圆叶牵牛花青素代谢途径的基因型变异与花色变异的进化生物学研究

基因型变异和表型变异的相互关系问题是尚未解决的生物学基本问题之一，而解决这个问题的一个有效方法是研究基因组中功能相关基因的分子进化和表型效应的相互关系。在本研究中我们利用圆叶牵牛花青素代谢途径（该途径合成了与花色形成有关的色素）来研究表型变异和基因型变异的进化关系，希望探讨两个问题：1、代谢途径上基因多态性在不同位点的表现程度如何? 2、在中国种群中传粉者对花色有无选择? 在对第一个问题的研究中调查了中国圆叶牵牛花青素代谢途径部分结构基因和调控基因的多态性。所研究的结构基因为途径的第一个关键酶基因CHS-D基因和较下游的ANS基因、UF3GT基因，以及调控基因W位点。其次是在温室中进行人工自交以获得所研究基因的纯合体。在对第二个问题的研究中，首先调查了野外圆叶牵牛不同花色的传粉者和传粉几率，其次是分析有色花个体与白花个体中的遗传变异程度。目前的研究结果表明CHS-D位点有3个等位基因，其中在中国的西南部地区发现了1个新的、在已报道的7个等位基因以外的等位基因;较下游的结构酶基因ANS位点存在有5个等位基因（在中国新发现3个等位基因）;UF3GT位点目前只发现有2个已报道的等位基因。在中国的圆叶牵牛中，新发现调控基因W位点上一个有功能的等位基因Ipmyb2，它与已报道的等位基因Ipmyb1的差异主要存在于内含子部分，而与发生缺失（1个6bp的缺失和1个19bp的缺失）后无功能的等位基因ipmyb2（该基因造成白花）存在外显子部分的8个碱基的差异。野外传粉观察结果表明，白花个体与有色花个体受到传粉者介导的选择，传粉者偏爱有色花而歧视白花，而且与在美洲不同，在中国圆叶牵牛的主要授粉者为蛾类而不是蜂类，从野外观察统计的结果看蛾类的传粉效率要高于蜂类。以上结果表明：1）花青素代谢途径上酶基因的位点均有一定程度的多态，其中尤以ANS为最高;调控基因ipmyb2的核苷酸缺失造成该基因停止功能，使其纯合子的个体开白色花。2）授粉者所介导的花色表型选择确实在中国种群中发生，有可能进一步增加花色代谢途径上基因位点的遗传变异。

花青素代谢途径上结构基因和调控基因的多态性分析

在生物个体中，很多基因位点都存在多个等位基因。这些等位基因存在的生物学意义是什么？是中性突变的结果还是进化选择的结果？本文以花青素代谢途径为平台，以圆叶牵牛为研究对象，试图探讨相关的生物学问题。具体问题是：（1）等位基因的多样性在调控基因和结构基因中是否有所不同？（2）两个等位基因的启动区会有什么不同？ 我们首先在来自新圭亚那、美国和中国的17个圆叶牵牛个体中调查了花青素代谢途径上第一个关键酶基因CHS-D基因和下游的最后一个基因UF3GT，以及三类调控基因MYB1、bHLH1、WDR1的多态性。目前的研究结果表明，CHS-D位点有三个等位基因，其中在中国的西南部地区发现了一个新的等位基因CHS-D-SINO1。下游的结构酶基因UF3GT位点存在3个等位基因，其中的UF3GT-c是我们在新圭亚那的三个个体中所新发现的。调控基因中，MYB1位点存在两个等位基因，其中一个是新发现的。bHLH2位点存在3个等位基因，均为新发现的。WDR1位点也存在三个等位基因，其中两个都是在本实验中新得到的。调控基因和结构基因位点的等位基因数量没有明显差别。 为了进一步了解等位基因的差异，我通过inverse PCR的方法得到了花青素代谢途径上F3H基因的两个等位基因F3H1和F3H3的启动区序列。通过分析发现，F3H1和F3H3的编码区序列相似性达到99%，而启动区序列相似性为79.7%，总体相似性87.1%。可见，这两个等位基因的差异主要集中在启动区。 F3H1启动区包含了16个bHLH蛋白的识别位点；而F3H3启动区包含9个bHLH蛋白的识别位点。其中，两者完全一样的有7处。除bHLH蛋白以外，F3H1和F3H3都分别含有一个MYB蛋白的识别位点，但两者所处的位置不同。这些数据表明这两个等位基因在功能上应该差别不大，但在应答调控基因对其的调节作用上可能有所差别。

果实对酵母拮抗菌和外源水杨酸诱导的抗病性应答机理

用生物和非生物因子来进行采后病害的防治，是一个非常有效的方法。诱导抗性作为控制果蔬采后病害的生物技术，已成为该领域的一个研究热点。然而诱导抗性的机制非常复杂，涉及到寄主、病原菌、激发子之间的相互作用关系。本研究主要利用酵母拮抗菌Pichia membranefaciens和SA处理果实，观察其抗性诱导表达和对采后青霉病菌（Penicillium expansum）的抑制作用，并从蛋白质组学水平上对诱导抗性的机理进行了分析。研究结果表明： 1、酵母拮抗菌P. membranefaciens (5 × 107 cells·ml-1)和SA(0.5 mM)处理采后甜樱桃果实，能够明显地降低病害的发病率和病斑直径。酵母菌和SA处理影响到了果实抗氧化酶的活性，同时还改变了POD同工酶谱和甜樱桃果实的总蛋白含量，并诱导了新的蛋白质条带产生。用光学显微镜和扫描电子显微镜技术观察发现，在in vitro条件下P. membranefaciens能够紧密地结合与病原菌的菌丝，而在in vivo条件下这种结合较为松散。 2、借鉴其它模式植物的方法，我们建立了一整套适用于多汁类植物材料的蛋白质组学研究方法。对于芒果，桃，甜樱桃、苹果以及冬枣等果实，都取得了重复性非常好的2-D图谱。我们应用该技术进一步研究了P. membranefaciens (1 × 108 cells·ml-1)以及SA (0.5 mM)处理对桃果实蛋白质组的诱导影响。结果显示，两种激发子处理都能够诱导桃果实产生抗性，从而减轻青霉病引起的腐烂。在诱导处理1 d以后，酵母拮抗菌和SA分别诱导22和16个蛋白的差异表达。质谱鉴定的蛋白属于6大类：代谢，防御反应，转录，能量途径以及细胞结构。有6个蛋白受到两种激发子的共同调控。其中，4种蛋白(包括glutathione peroxidase, polyphenol oxidase precursor, catalase和methionine sulfoxide reductase) 属于抗氧化蛋白，涉及到活性氧代谢。另2个蛋白（Major allergen Pru av 1和peroxidase）是病程相关蛋白，直接参与植物的防御反应。同时一些磷酸化酶和转录因子也受到两种激发子的调节从而参与果实的抗病反应。酶学测定和Northern杂交的结果表明，拮抗菌与SA处理均能影响过氧化氢酶活性及其基因的表达。 3、采前用较高浓度SA (2 mM) 短时间（10s）处理不同成熟期的甜樱桃果实，能够明显降低果实青霉病的病斑直径，并能减轻较低成熟度果实的发病率。在没有接菌的情况下，SA诱导了33个差异表达的蛋白，其中用质谱鉴定出了26个。而在接种病原菌的情况下，SA诱导了19个差异表达的蛋白，并鉴定出了其中的12个。这些蛋白分别涉及到代谢、防御反应、转录、能量途径、信号转导等过程。在没有接种病原菌的情况下，SA处理诱导了Putative DnaJ heat shock protein, PR1-like protein, Peroxidase, Major allergen Pru av 1 (Pru a 1)和Catalase等与抗病有关的蛋白。而在接种病原菌的情况下，诱导了PR1-like protein, Peroxidase和Catalase蛋白的差异表达。通过酶活性测定以及对细胞学定位的研究，我们发现在没有接种病原菌的情况下，POD的活性受到SA的诱导。但是在接种病原菌以后，诱导效果不明显。