苹果细胞分裂素响应因子基因MdCRF4的分离与功能鉴定

以‘嘎拉’苹果(Malus × domestica‘Royal Gala’)为研究材料,利用同源克隆和PCR技术,分离了苹果细胞分裂素响应因子(cytokinin response factor)基因MdCRF4。该基因开放阅读框(ORF)为1077 bp,编码含有358个氨基酸的蛋白。保守结构域和系统进化树分析显示,MdCRF4蛋白包含一个保守的CRF结构域和一个保守的AP2/ERF结构域,与梨PbCRF4同源性最高。基因表达分析显示,该基因主要在苹果根和叶中表达并且响应细胞分裂素。EMSA试验显示MdCRF4原核表达蛋白能够绑定DRE(ACCGAC)序列。在‘王林’苹果愈伤组织中超表达MdCRF4,其花青苷积累显著增加,表明MdCRF4在调控花青苷积累中发挥重要作用。     

苹果乙烯响应因子MdERF1B-like的克隆与功能鉴定

以‘泰山早霞’苹果发育期中未着色和着色的果实为试材,利用q RT-PCR分析花青苷和乙烯通路相关基因的表达。分离出1个乙烯响应因子,暂命名为MdERF1B-like(MDP0000167207),其开放阅读框为690bp,编码229个氨基酸。在‘泰山早霞’苹果着色与未着色果实中,MdERF1B-like表达量变化与花青苷合成基因MdDFR、MdANS和调控基因MdMYB9的表达趋势一致。系统进化树分析表明,MdERF1B-like位于第Ⅸ组,与PyERF1B-like亲缘关系最近。在‘王林’苹果愈伤组织中过表达MdERF1B-like,其花青苷含量显著高于对照。分析MdMYB9启动子序列,其长度为746 bp,序列中含有1个ERF潜在结合元件RAA(TGTTG),酵母单杂表明MdERF1B-like与MdMYB9启动子结合。进一步通过荧光素酶报告试验验证MdERF1B-like促进MdMYB9启动子的转录活性。因此,MdERF1B-like可能通过对MdMYB9的调控来促进苹果花青苷积累。     

苹果MdNAC143的克隆及其在苹果愈伤组织的抗盐功能鉴定

从‘嘎拉’苹果中克隆了一个NAC转录因子基因MdNAC143(序列号:MDP0000334047),其开放阅读框为924 bp,编码308个氨基酸,预测蛋白质的分子量为35.59 k D,等电点为6.32。结构域分析表明,MdNAC143蛋白N端含有保守的NAC结构域。酵母双杂交结果表明MdNAC143的全长及C端具有转录激活活性。荧光定量PCR分析表明,MdNAC143在苹果的各个组织均有表达,其中在叶片和花中表达相对较高;MdNAC143的表达明显受盐胁迫的诱导。将MdNAC143遗传转化‘王林’苹果愈伤组织,进行抗盐表型鉴定后发现,MdNAC143在愈伤组织中过量表达后能明显提高对盐胁迫的抗性。     

苹果花青苷调控基因MdMYB111的功能鉴定

克隆红肉苹果‘红心16号’果实的MdMYB111,原核诱导并获得其重组蛋白,对MdMYB111进行生物信息学分析,测定其在果肉色泽差异明显的品种‘红心16号’和‘红脆1号’果实中的表达水平,并通过转基因鉴定其功能。结果表明,MdMYB111的开放阅读框为720 bp,编码239个氨基酸,预测其蛋白大小为26.93 kD;进化树分析发现MdMYB111和MdMYB16在同一个进化支上,且其蛋白C端存在EAR抑制序列;‘红心16号’果实成熟期果肉全部呈现红色,并且颜色较深;‘红脆1号’果实成熟期果肉呈现浅红色,红色范围较小。‘红心16号’果实花青苷含量和MdANS、MdUFGT、MdMYB9、MdMYB10、MdMYB11的表达水平均高于‘红脆1号’,但MdMYB16和MdMYB111的表达水平低于‘红脆1号’;在新疆红肉苹果愈伤中过表达MdMYB111,能够抑制MdANS和MdUFGT的表达并降低花青苷的含量。综上所述,MdMYB111可能参与花青苷合成途径并抑制其合成。     

过表达苹果多肽激素基因MdCEP1促进花青苷积累

以‘王林’苹果(Malus×domestica‘Orin’)愈伤组织为试材,初步探讨苹果多肽激素Md CEP1(C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDE1)在调控花青苷合成方面的作用。分析显示Md CEP1位于苹果第15号染色体,只有1个外显子。蛋白序列比对显示不同物种中CEP结构域非常保守。启动子分析表明,Md CEP1启动子序列包含多个顺式作用元件,包括与分生组织有关的CAT-box元件、赤霉素响应元件(P-box)、光响应元件(MNF1)和与类黄酮合成相关的MYB类蛋白结合位点(MBSI)。通过农杆菌介导的遗传转化获得Md CEP1转基因苹果愈伤组织,进一步分析发现过表达Md CEP1能够明显促进愈伤组织花青苷积累,并且促进花青苷合成相关基因的表达。Md CEP1在拟南芥中异位表达,同样能够促进拟南芥中花青苷的积累,并且促进拟南芥花青苷合成相关基因的表达。研究结果表明,Md CEP1能够正调控苹果花青苷的合成。     

苹果蔗糖转运蛋白MdSUT2调控花青苷积累的研究

从‘嘎拉’苹果(Malus×domestica Borkh.)中克隆蔗糖转运蛋白基因MdSUT2(序列号:MDP0000277235),该基因包含1 704 bp开放阅读框,编码566个氨基酸,蛋白大小为56 kD。构建MdSUT2表达载体并利用农杆菌介导法侵染拟南芥,半定量RT-PCR证明Md SUT2在拟南芥中异源表达。构建瞬时表达载体,‘红星’苹果进行Md SUT2瞬时表达,其花青苷含量增多,而沉默该基因花青苷含量明显降低。     

苹果MdNAC9的克隆及其调控黄酮醇合成功能的鉴定

为了探究红肉苹果黄酮醇合成机理,分析通路相关基因,从成熟期红肉苹果中克隆了1个NAC转录因子基因Md NAC9。通过Real-TimePCR、酵母单杂交和荧光素酶报告试验,探究Md NAC9与苹果黄酮醇积累的相关性。结果表明,在苹果果实和过表达Md NAC9的愈伤组织(OENAC9)中Md NAC9表达量变化与黄酮醇合成相关基因Md FLS表达量变化趋势一致。酵母单杂交试验证明,Md NAC9具有转录激活功能,能够特异结合Md FLS基因启动子。荧光素酶报告试验显示,Md NAC9对Md FLS的启动子有激活作用,促进Md FLS的表达。Md NAC9可能通过激活Md FLS促进苹果黄酮醇积累。     

越橘花青苷合成相关基因VcTTG1的克隆与功能鉴定

以‘Duke’越橘(Vacciniumcory mbosum ‘Duke’)为试材,从转录组数据库中克隆编码WD40蛋白的基因VcTTG1,分析其表达模式并鉴定其在花青苷合成过程中的作用功能,为进一步探讨越橘花青苷合成调控机理奠定理论基础。结果表明,克隆获得越橘VcTTG1(GenBank登录号为MH717246),ORF为1044bp,推测其编码348个氨基酸,含有典型的WD40结构域。系统发生分析表明,Vc TTG1与葡萄VvWDR1的同源性最高。VcTTG1在越橘根、枝条、幼叶、花和果实中均有表达,但表达量差异显著,在果实中较高,枝条中较低。在果实中随着VcTTG1表达的升高,花青苷含量呈递增的趋势。在拟南芥中超表达VcTTG1,其花青苷积累在VcTTG1转基因植株中显著增加。酵母双杂交试验结果表明,VcTTG1可与拟南芥bHLH蛋白AtTT8相互作用。由此推测,VcTTG1在调控花青苷合成过程中发挥重要作用。     

MdMYB1转录因子调控红星苹果果实着色的计算机模拟分析及表达验证

 从‘红星’苹果(Malus domestica‘Delicious’) 果实中克隆获得了MdMYB1基因, 通过生物信息学分析( in silico analysis) 和活体细胞融合蛋白荧光观察, 确定其编码蛋白定位于细胞核。同时, 克隆了MdDFR和MdUFGT基因的启动子, 模拟分析表明2个基因的启动子序列中含有MYB结合的顺式作用元件。为了探讨MdMYB1转录因子是否调控MdDFR和MdUFGT基因的表达, 对不同光照条件下果皮花青素含量和基因表达进行了检测, 结果表明光照能够诱导花青素积累, 并迅速启动3个基因表达, 且3个基因表现出高度相似的表达模式, 表明MdMYB1转录因子可能直接调控MdDFR和MdUFGT基因的表达。     

NAC转录因子在果实成熟中的调控作用

NAC转录因子是植物中最大的特异性转录因子家族之一，其依赖由高度保守的N端结构域和高度变异的C端转录调控结构域组成独特的NAC结构域发挥功能，在果实成熟的调控中发挥着重要的作用。在介绍NAC转录因子的结构特征及不同物种NAC基因的成员与分类的基础上，总结了近年来NAC转录因子在果实成熟过程中的积极作用，包括促进果实软化影响果实质地，促进叶绿素降解及类胡萝卜素、类黄酮和花色苷的合成决定果实着色、调控糖分积累影响果实糖酸比例以及促进多种芳香化合物合成积累形成果实特有风味、果实脱涩等方面，并阐述了NAC转录因子与内源激素特别是乙烯和ABA交互在调控果实成熟中的重要作用。总结了NAC转录因子调控果实成熟的潜在机制以及影响NAC表达的因素与分子通路，旨在为在果实成熟性状遗传改良与调控技术研发提供重要参考。     

苹果MdMYB2基因的克隆及功能鉴定

以‘嘎拉’苹果为材料,采用同源克隆和PCR技术分离了苹果基因MdMYB2(基因序列号:MDP0000823458)。MdMYB2的开放阅读框(ORF)长度为873 bp,编码含有290个氨基酸的蛋白,预测其蛋白质分子量为32.92 kD,等电点为4.91。系统进化树分析显示,苹果MYB2与梨MYBL2亲缘关系最近,同源性最高。组织表达分析表明,MdMYB2在苹果的各个组织均有表达,在茎和果实中表达相对较高。MdMYB2的表达明显受盐胁迫的诱导。构建了MdMYB2的表达载体,并通过农杆菌介导的遗传转化得到了转基因苹果愈伤和转基因拟南芥植株。抗性试验表明,过量表达MdMYB2明显提高了转基因苹果愈伤对盐胁迫的抗性。此外,异位表达MdMYB2也能提高拟南芥对盐胁迫的抗性,以上试验结果表明MdMYB2在植物盐胁迫响应中发挥重要作用。     

MdMYB73的分子克隆及其在苹果愈伤组织和拟南芥幼苗中的盐抗性功能鉴定

从‘嘎拉’苹果中克隆了一个MYB转录因子基因(序列号:MDP0000894463)。该基因包含长为729 bp完整的开放阅读框,编码243个氨基酸,预测其蛋白质分子量为26.34 kD,等电点为9.29。系统进化树分析表明,这一MYB转录因子与拟南芥AtMYB73同源序列相似性最高,因此将其命名为MdMYB73。功能域分析表明,MdMYB73蛋白含有保守的R2R3-typeMYB绑定域。荧光定量PCR分析表明,MdMYB73在苹果的各个组织均有表达,在叶片和花中表达相对较高;MdMYB73的表达明显受盐胁迫的诱导。将异位表达MdMYB73的拟南芥幼苗进行抗盐鉴定,结果表明MdMYB73负调控拟南芥盐胁迫抗性;同时,AtSOS1,AtSOS3和AtNHX1抗盐相关基因的表达水平显著降低,表明MdMYB73可能负调控SOS反应,影响拟南芥抵抗高盐胁迫过程。将MdMYB73基因遗传转化苹果愈伤组织,抗盐表型分析表明,MdMYB73过量表达也明显降低了转基因愈伤组织对盐胁迫的抗性。     

苹果MdMYB2基因对非生物胁迫的响应

为阐明苹果(Malus×domestica)R2R3-MYB转录因子基因MdMYB2在非生物胁迫条件下的生物学功能,对MdMYB2的启动子序列进行分析,发现其含有非生物胁迫相关顺式作用元件,且MdMYB2的表达量受外源ABA、聚乙二醇(PEG)和4℃低温的诱导。在不同处理对MdMYB2过表达拟南芥植株和MdMYB2过表达苹果愈伤组织的试验中发现,外源ABA处理抑制了MdMYB2转基因拟南芥种子的萌发,且转基因幼苗提高了对ABA的敏感性、耐旱性和抗冷性。同时,过表达MdMYB2的苹果愈伤组织也表现出对ABA敏感、耐旱和抗冷的表型。以上结果说明MdMYB2在植物的逆境胁迫响应中发挥重要作用。     

MdMYB10对苹果果皮苯丙氨酸代谢的影响

MdMYB10对苹果果皮花青苷合成起重要作用,但对苯丙氨酸代谢途径中其他酚类物质合成是否起作用尚不清楚。从‘粉红女士’苹果（Malus ? domestica‘Pink Lady’）果皮中克隆了MdMYB10,分别构建其过表达载体pCAMBIA2301-MdMYB10和沉默载体pTRV2-MdMYB10,在套袋苹果果皮下注射农杆菌诱导MdMYB10过表达和沉默,分析MdMYB10对解袋后苹果果皮苯丙氨酸代谢的影响。结果表明,在过表达MdMYB10的果皮组织中,MdMYB10表达量上调了19.62倍,MdPAL、MdCHS、MdF3H、MdDFR、MdANS、MdUFGT、MdFLS、MdANR均有不同程度的上调,只有MdLAR无显著变化;沉默MdMYB10的果皮组织中,MdMYB10表达量降低了87%;MdCHS、MdF3H、MdDFR、MdANS和MdUFGT均有不同程度的下调,其中MdANS和MdUFGT下调最多,分别下调83%和82%。在过表达MdMYB10的果皮中,花青苷含量升高了3.05倍,槲皮素–3–O–半乳糖苷、表儿茶素、原花青素B2、绿原酸、对香豆酸含量均有不同程度升高,根皮苷含量无明显变化;在沉默MdMYB10的果皮中,花青苷含量降低了83%,槲皮素–3–O–半乳糖苷和表儿茶素含量分别降低58%和52%,原花青素B2、根皮苷含量无明显变化,而绿原酸含量升高了24%,对香豆酸含量升高了21%。可见,MdMYB10不仅调控苹果果皮中花青苷合成,同时还调控苯丙氨酸代谢中绿原酸、对香豆酸、槲皮素–3–O–半乳糖苷、表儿茶素和原花青素B2等物质的合成,但对根皮苷的形成作用不明显。     

红肉苹果冷信号基因MdICE1的表达及其蛋白与MdMYB的互作

根据拟南芥AtICE1蛋白序列在苹果基因组中Blast比对得到苹果同源蛋白序列,利用DNAMAN软件设计特异性引物并克隆苹果冷信号基因（MDP0000662999）,暂命名为MdICE1。以从新疆红肉苹果与‘富士’杂交F1代中选出的‘紫红3号’叶片诱导出的红色愈伤组织为试材克隆MdICE1,测序发现该基因的开放阅读框长度为1 626 bp,编码541个氨基酸。进化树分析表明,MdICE1与AtICE1在同一进化支上,推测它们具有相似的功能。氨基酸序列比对发现,MdICE1存在bHLH基序。低温处理有利于苹果愈伤组织花青苷的累积;与培养在24 ℃下的愈伤组织相比,低温（8 ℃）诱导苹果愈伤组织冷信号基因MdICE1以及花青苷合成相关转录因子基因MdMYB10和MdbHLH3的表达。酵母双杂交试验证明MdICE1可以与MdMYB10相互作用;亚细胞定位发现MdICE1蛋白存在于细胞核内;转化大肠杆菌并诱导获得了MdICE1的重组蛋白,为进一步研究MdICE1蛋白在花青苷代谢途径中的功能奠定了基础。     

高类黄酮苹果新品种‘幸红’

‘幸红’苹果是从‘嘎拉’ב红脆1号’的后代中选育出的新品种。树势强，长、中、短枝均能结果，有连续结果能力。果实近圆形，高桩，果形指数0.9，平均单果质量149.3 g。果面着红色，光亮，可免套袋。果肉略带粉红色，肉质细脆，硬度10.9 kg • cm-2，可溶性固形物含量13.6%，可滴定酸含量0.33%，糖酸比41.2，酸甜适口，类黄酮含量0.64 mg • g-1，花青苷含量10.32 mg • kg-1，外观、营养、鲜食及贮运品质优良。果实发育期140 d左右，早果性、丰产性强，产量31.27 t • hm-2。     

苹果己糖激酶基因MdHXK1的克隆与表达分析

从‘嘎啦’苹果中克隆了己糖激酶基因MdHXK1(基因序列号:MDP0000309677)全长,测序发现其包含长为1 497 bp完整的开放阅读框,编码499个氨基酸,预测其编码蛋白质分子量为54.05k D,等电点为5.76。系统进化树分析表明,HXK1在不同物种间具有高度的序列保守性;其中,苹果MdHXK1与中国白梨Pb HXK1亲缘关系最近。功能域分析表明,MdHXK1蛋白含有两个保守的激酶域。Southern blotting结果表明,MdHXK1在苹果基因组中有一个拷贝。亚细胞定位预测表明,MdHXK1主要定位于细胞质。分析MdHXK1基因启动子序列发现含有与抗逆、糖信号及激素信号相关的顺式作用元件。荧光定量PCR分析表明,MdHXK1在苹果的茎和花中表达量较高;在苹果果实发育期间,MdHXK1基因的表达、MdHXK1葡萄糖磷酸化相对酶活性和葡萄糖积累水平都呈现先升高后降低的趋势,MdHXK1基因的表达明显受盐、低温和ABA的诱导。原核诱导并纯化了MdHXK1蛋白,为后续MdHXK1蛋白的功能鉴定奠定基础。