吉林农业大学与东北师范大学在君子兰花青素合成方面取得重要进展

2021年，吉林农业大学园艺学院与东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室在Ornamental Plant Research在线发表了题为Cloning and Functional Characterization of ChalconeIsomerase Genes Involved in Anthocyanin Biosynthesis in Clivia miniata的研究论文，分析鉴定了大花君子兰中CHI基因家族的功能，为进一步揭示大花君子兰花青素合成转录调控机制及其花色改良奠定了基础。吉林农业大学赵春莉副教授和东北师范大学李月庆博士为该论文的通讯作者，硕士生刘玥为第一作者，东北师范大学高翔教授参与了结果讨论和分析。论文受到了国家自然科学基金委、吉林省科技厅和吉林省发改委的资助。
君子兰是石蒜科君子兰属的多年生草本观赏花卉，原产南非高山，性喜温凉，于本世纪初经由德国和日本引入我国并安家落户，具有较高的经济价值。它是一种株型端庄，叶、花、果俱佳的花卉，深受国内外花卉爱好者的青睐。然而，与其他观赏花卉相比，传统的选育和杂交育种的方法并没有给君子兰增加新的花色，其单调的花色在很大程度上影响了它的观赏价值和经济价值。探究君子兰花色形成机制有望为进一步的基因工程改良君子兰园艺性状奠定基础。
类黄酮是广泛存在于自然界中的植物次生代谢产物。其中，花青素是陆生植物中数量最多、分布最广的类黄酮之一，赋予了植物花、种子和果实等器官多姿多彩的颜色。一般认为，花青素生物合成起始于苯丙烷代谢途径，由丙二酰辅酶A和香豆酸辅酶A经查尔酮合酶（CHS）催化生成柚皮素查尔酮，柚皮素查尔酮经查尔酮异构酶（CHI）催化生成柚皮素，柚皮素可以作为直接前体物质经不同的酶催化生成不同的类黄酮物质。因此，CHI的催化特性很大程度上影响了花青素在内的多种类黄酮物质的积累。
本研究通过转录组测序技术，筛选并克隆了大花君子兰CHI基因家族成员CmCHI1, CmCHI2和 CmCHI3。分析发现，CmCHI都定位于细胞质中。其中，CmCHI1和CmCHI2是I型CHI蛋白，是维管植物中典型的查尔酮异构酶，而CmCHI3属于IV型CHI蛋白。进一步的体外酶学检测和转基因拟南芥实验表明，只有CmCHI1和CmCHI2具有查尔酮异构酶活性，而CmCHI3的功能有待于进一步验证。本研究结果为进一步揭示君子兰的花色形成分子机制奠定了基础，同时也为后期性状改良提供了新的基因资源。
作者简介
吉林农业大学赵春莉副教授主要从事观赏植物种质资源保存、开发利用和环境生态修复等方面的研究，主持、参与国家级及厅局级课题多项，多次获得吉林省科技进步奖、自然科学学术成果奖；参与完成系列花卉新品种审定，编撰多部著作和教材等。
东北师范大学李月庆博士主要以香雪兰、君子兰、耧斗菜等植物为材料，探究处于不同进化地位的植物中次生代谢物质合成修饰加工机制和转录调控机制。主持国家自然科学基金、国家博士后基金等多个项目；近5年，在New phytologist、JXB、Communications Biology、PCP等杂志发表SCI论文10余篇。
图：作者照片，从左到右依次为：赵春莉，李月庆，刘玥
原文链接：http://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/OPR-2021-0002