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揭秘沙棘果实颜色形成机理及其与抗氧化物的关系

作者:frasergen日期:2017年2月24日 14:12

前言:

沙棘是一种具有较高生态价值和经济价值的树种,沙棘浆果和叶片富含200余种生物活性组分,是世界公认的维C之王树种。在自然界,沙棘浆果主要为黄色、红色两大类。近期,中国林科院林业所张建国课题组通过对两种不同颜色浆果在不同生长发育时期的转录组和代谢组动态表达进行比较分析,揭示出沙棘浆果的颜色主要取决于β胡萝卜素与番茄红素含量累积的差异。

材料选取:

12个冷冻的果肉样品:3个不同发育阶段的红色浆果和黄色浆果各1个(R1-3 & Y1-3),每个样品各选取2个生物学重复,分别提取RNA。

18个冷冻的果肉样品:3个不同发育阶段的红色浆果和黄色浆果各1个,每个样品各选取3个生物学重复,分别提取总蛋白。

研究策略:

RNA-Seq采用Illumina HiSeq2000进行,蛋白采用液相色谱-质谱联用进行纯化分析。

图1. 果实发育成熟过程中沙棘浆果的动态颜色变化

红、黄浆果基因表达差异显著

RNA-Seq测序一共组装注释出114,336 unigenes,相关性系统树图表明,R1和R2分别与Y1和Y2相似,而R3与Y3则表现出明显差异(图2),表明红色浆果与黄色浆果的基因表达在早期阶段比较类似,而在晚期阶段则表现出明显不同。

图2. 果实在不同发育阶段的基因聚集系统树状图

R3与Y3相比,共有421个表达水平存在差异的基因(图3),包括412个上调基因和9个下调基因,红色浆果中的上调基因主要与氧化磷酸化有关,驱动ATP的合成。

图3. 红色和黄色浆果在不同发育阶段的表达水平存在差异的基因数量

红、黄浆果不同发育阶段蛋白差异表达

与黄色浆果相比较,红色浆果在3个发育阶段分别有136,139和234个蛋白的表达水平存在差异,这些蛋白的功能包括了氨基酸、脂肪酸和类黄酮的合成等。

图4. 红色和黄色浆果在不同发育阶段的差异表达蛋白数量

沙棘浆果颜色决定因素

植物中类胡萝卜素的合成涉及到很多酶和代谢物的参与,如香叶酰焦磷酸酯(GGPP),番茄红素合成酶(PSY),紫黄素(violaxanthin),脱落酸(abscisic acid)等(图5)。

图5. 沙棘浆果中类胡萝卜素合成的主要分支通路

研究发现红果沙棘的抗氧化物质番茄红素和β胡萝卜素等含量明显高于黄果沙棘(Table 1)。当β胡萝卜素与番茄红素含量的比值较高时,果实呈黄色,反之则呈红色。沙棘浆果的颜色主要取决于β胡萝卜素与番茄红素含量累积的差异。

Table 1 果实成熟过程中红色和黄色浆果中抗氧化物的动态含量 (mg/100g)

此外,研究还发现葡萄糖醛酸途径可能在沙棘维生素C生物合成过程中发挥了重要的作用。这些研究成果为人们深入理解沙棘浆果独特的营养成分形成机理及良种选育提供了新策略。

 

参考文献:

Caiyun He et al.Integrated analysis of multiomic data reveals the role of the antioxidant network in the quality of sea buckthorn berry. 2017,FASEB J  pii: fj.201600974R.

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