新型種間雜交南瓜自交系淀粉和類胡蘿卜素合成的分子與生理機制研究.pdf

1、葫蘆科作物是世界范圍內(nèi)最重要的十種蔬菜作物之一。中國是南瓜生產(chǎn)第一大國．2009年產(chǎn)量為6，506，966噸。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，南瓜生產(chǎn)已逐漸從數(shù)量型向質(zhì)量型過渡，對優(yōu)質(zhì)品種的需求日益增加。消費者對果實的口感以及安全性、營養(yǎng)價值等有越來越高的要求。提高果實品質(zhì)是現(xiàn)在南瓜育種工作者的主要目標。
　　 南瓜的品質(zhì)主要包括:果肉顏色、質(zhì)地以及甜度等。不同的人群對南瓜果肉質(zhì)地的喜好不盡相同。中國南瓜（C.moschat

2、a)含水量高，干物質(zhì)的量大概在10-15％．然而由于較低的干物質(zhì)的量使得很多現(xiàn)在的雜交南瓜品質(zhì)低下。印度南瓜（C.maxima)因富舍較高的干物質(zhì)量（大概為20-33％）和較高的品質(zhì)，因而在許多亞洲中部和南部國家廣受歡迎。南瓜中淀粉和糖舍量的變化導致干物質(zhì)的量不盡相同，而淀粉舍量可以直接影響到南瓜的品質(zhì)。因此在考慮果實品質(zhì)時，淀粉舍量和其理化性質(zhì)可以作為重要的理化指標。
　　 除了碳水化合物，決定南瓜營養(yǎng)品質(zhì)的主要因素還有類胡蘿

3、卜素含量的高低。南瓜作物是重要的飲食材料，同時能在一定程度上改善發(fā)展中國家營養(yǎng)缺乏的問題。南瓜果肉顏色豐膏，消費者對果肉顏色的喜好不同?？偟念惡}卜素的舍量與果肉顏色有著正相關(guān)性。研究表明果肉具有較深的顏色也是高品質(zhì)南瓜的特征之一。因此，由于淀粉和類胡蘿卜素的重要性，研究它們的合成調(diào)控機制對于南瓜的高營養(yǎng)品質(zhì)育種策略具有重要的指導意義。
　　 葫蘆科作物的雜交育種是提高果實品質(zhì)的一種有效途徑。本研究實驗材料為南瓜種間自交系，此材

4、料通過C.maxima和C.moschata種間雜交、回交和自交獲得，命名為“Maxchata”。本研究的主要目標是明確種間自交系及父母本的果實質(zhì)地和果肉顏色差異的機制。
　　 首先，對父母本和種間自交系的果肉顆粒形態(tài)、干重、直鏈淀粉和總淀粉舍量進行了研究。此外，對生的和煮熟南瓜的口感、烹飪屬性和紋理特征進行了觀察。通過掃描電子顯徼鏡觀察發(fā)現(xiàn)三個材料的顆粒均表現(xiàn)為表明欠光滑．多為球形、多面體和圓形的復(fù)合物，顆粒大小從1μm到17

5、μm不等。C.maxima的顆粒大于C.moschata和“Maxchata1”。 C.maxima和“Maxchata1”的干重和淀粉含量顯著高于C.moschata。干重、直鏈淀粉和總淀粉的含量和果實的粉性成正相關(guān)。對于烹飪屬性，粉性較高的C.maxima和“Maxchata1”較之粉性較低的C.moschata表現(xiàn)為較長的烹飪時間和較高的硬度。此外．在烹飪過程中C.maxima和“Maxchata1”比C.moschata有較高的

6、固體損失和吸水值。生的和煮熟的C.maxima和“Maxchata1”的高粉性、干重、淀粉含量與其具有較高的TPA參數(shù)包括分段能力、硬度、附著力、彈性、筋道等相關(guān)。
　　 為了進一步深入了解淀粉以及類胡蘿卜素的合成在南瓜果實發(fā)育中調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，我們從C.moschata.中克隆了相關(guān)基因PSY1, PDS, ZDS, CHYB, LCYB, ZEP,GBSS的全長序列，及LCYE, CCD, AGPaseL，SSII, SBEII，

7、ISA1的部分序列。
　　 序列比對顯示克隆到以上基因的序列與相應(yīng)的同源基因的保守結(jié)構(gòu)域有高度的同源性。為了進一步研究南瓜果實發(fā)育過程中淀粉和類胡蘿卜素積累相關(guān)基因表達的調(diào)控機理，對相關(guān)基因進行了克隆和表達分析。
　　 其次．接下來對兩個不同種及其種間自交系南瓜果實發(fā)育過程中淀粉積累和淀粉相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控進行了研究。對C.maxima、C.moschata和“Maxchata”果實發(fā)育不同階段的干重和淀粉組成進行了

8、研究。此外，對南瓜果實發(fā)育過程中淀粉合成相關(guān)的5條基因進行了克隆以及通過RT-PCR進行了表達研究。這兩個不同種及其種間自交系南瓜的淀粉組成和調(diào)控機理具有顯著差異。與其他兩個材料相比．C.moschata具有較低的總淀粉含量和較低的AGPaseL基因表達水平。在成熟的果實中C.maxima和Maxchata的淀粉含量差異不顯著。AGPaseL基因的高表達導致較高的淀粉積累。然而，在“Maxchata”中表現(xiàn)為果實發(fā)育早期具有較高的AGP

9、aseL基因表達從而導致淀粉的快速積累。類似的，C.maxima和“Maxchata”中GBSSI基因具有較高的表達水平，與直鏈淀粉積累水平呈正相關(guān)。相反，與支鏈淀粉合成相關(guān)的SSⅡ、SBEⅡ和ISA(I)基因在果實發(fā)育后期表達較高，在三個材料中表達差異不顯著。
　　 最后，我們研究了南瓜果實的類胡蘿卜素的組成及其相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控水平。對C.maxima、C.moschata和兩個種間雜交系“Maxchata1”和“Maxch

10、ata2”果實發(fā)育過程中類胡蘿卜素的水平和組成以及類胡蘿卜素合成過程中8個相關(guān)基因的表達水平進行了比較研究。研究表明，兩個南瓜種及其種間雜交種具有不同的類胡蘿卜素含量和調(diào)控水平。 C.moschata舍有最低的類胡蘿卜素含量，且主要為α-胡蘿卜素和β-胡蘿卜素．果肉表現(xiàn)為淺橙色，低含量的類胡蘿卜素含量與該材料中類胡蘿卜素合成相關(guān)基因的表達水平較低有關(guān)，尤其是PSY1基因。 C.maxima中最主要的類胡蘿卜素是堇菜黃質(zhì)和葉黃素，相應(yīng)的成

11、熟果肉顏色為黃色。在C.maxima果實成熟過程中CHYB和ZEP基因可能導致相似的堇菜黃質(zhì)和葉黃素積累水平。相反，它們的種間雜交種主要積累葉黃素和β-胡蘿卜素，果肉顏色為橙色。在“Maxchata”中PSY1基因在果實發(fā)育早期具有較高的表達水平，這可能與其具有高含量的類胡蘿卜素有關(guān)。相似地．CHYB基因的高表達可能與種間雜交材料中高含量的葉黃素有關(guān)。然而，此研究不能從基因表達水平解釋β-胡蘿卜素的積累。
　　 本研究有助于解釋