紫花含笑花色形成的生理及分子机理研究

Study on the Physiological and Molecular Mechanism of

Michelia crassipes Flower Color Formation

摘　要

  紫花含笑(Michelia crassipesLaw)为木兰科含笑属常绿灌木，花紫红至深紫色，常被用于木兰科植物的花色改良。在紫花含笑花色形成过程中有明显的由绿转紫现象，本文以紫花含笑三个呈色时期花被（绿色花被期St1，出现紫色斑点转色期St2和紫色花被期St3）为材料，对花被呈色过程中花被细胞结构和超微结构变化、生理生化变化、代谢组和转录组测序分析，初步揭示了紫花含笑花被呈紫色的生理及分子机理，为进一步研究木兰科花色育种提供了参考。主要研究结果如下：
（1）绿色和紫色花被细胞结构及其超微结构观察发现，花被由绿转紫过程中，上表皮细胞长宽比明显增大，形状由扁平型向穹顶型变化，细胞垂周壁出现褶皱，增加了光照吸收面积；液泡体积的增大和叶绿体向有色体的转化是最主要的细胞器变化。   

（2）在花被由绿转紫的呈色过程，花被L*降低，a*上升，b*值降低；花青素含量、类黄酮含量和类胡萝卜素含量呈上升趋势，叶绿素含量显著降低，因此，花青素含量的积累可能是花被呈紫色的主要原因，同时还伴随着其它类黄酮物质及类胡萝卜素的辅助增色，正是不同色素含量及其比例变化共同导致了紫花含笑紫色花被的形成。

（3）基于灰色关联度分析，类黄酮含量、可溶性糖含量和SOD活性是与花青素含量积累关联系数最大的生理生化因子。

（4）利用UPLC-ESI-MS/MS测定紫花含笑花被呈色过程中类黄酮物质的变化，共检测到100种代谢物，其中有22种化合物含量在花被呈色的三个阶段差异显著，与绿色期相比，在紫色期花被中矢车菊素3-芸香糖苷增幅最显著，达130.89倍。所以矢车菊素3-芸香糖苷可能是紫花含笑花被呈紫色的主要物质，以木犀草素衍生物为代表的黄酮类物质，以山奈酚类和槲皮素类衍生物为代表的黄酮醇类物质可能通过共着色的作用促进花被紫色的形成。

（5）转录组测序结果表示，花被呈色过程中测得122017条基因表达，共注释了36361条，其中 St1 vs. St2出现差异表达基因最多，共有2653 条；在St2 vs. St3出现差异表达基因最少，为362条；且只有6条差异表达基因在所有比较组内出现。其中共鉴定出22个花色相关的差异基因，包括PAL、C4H、CHS、F3’H、F3H、DFR、ANS等结构基因，MYB、bHLH、WD40等调节基因和ABC等转运蛋白基因。

关键词：紫花含笑，花色，细胞形态，生理机理，代谢组，转录组

紫花含笑花色形成的生理及分子机理研究

Study on the Physiological and Molecular Mechanism of

Michelia crassipes Flower Color Formation

摘　要

  紫花含笑(Michelia crassipesLaw)为木兰科含笑属常绿灌木，花紫红至深紫色，常被用于木兰科植物的花色改良。在紫花含笑花色形成过程中有明显的由绿转紫现象，本文以紫花含笑三个呈色时期花被（绿色花被期St1，出现紫色斑点转色期St2和紫色花被期St3）为材料，对花被呈色过程中花被细胞结构和超微结构变化、生理生化变化、代谢组和转录组测序分析，初步揭示了紫花含笑花被呈紫色的生理及分子机理，为进一步研究木兰科花色育种提供了参考。主要研究结果如下：
（1）绿色和紫色花被细胞结构及其超微结构观察发现，花被由绿转紫过程中，上表皮细胞长宽比明显增大，形状由扁平型向穹顶型变化，细胞垂周壁出现褶皱，增加了光照吸收面积；液泡体积的增大和叶绿体向有色体的转化是最主要的细胞器变化。   

（2）在花被由绿转紫的呈色过程，花被L*降低，a*上升，b*值降低；花青素含量、类黄酮含量和类胡萝卜素含量呈上升趋势，叶绿素含量显著降低，因此，花青素含量的积累可能是花被呈紫色的主要原因，同时还伴随着其它类黄酮物质及类胡萝卜素的辅助增色，正是不同色素含量及其比例变化共同导致了紫花含笑紫色花被的形成。

（3）基于灰色关联度分析，类黄酮含量、可溶性糖含量和SOD活性是与花青素含量积累关联系数最大的生理生化因子。

（4）利用UPLC-ESI-MS/MS测定紫花含笑花被呈色过程中类黄酮物质的变化，共检测到100种代谢物，其中有22种化合物含量在花被呈色的三个阶段差异显著，与绿色期相比，在紫色期花被中矢车菊素3-芸香糖苷增幅最显著，达130.89倍。所以矢车菊素3-芸香糖苷可能是紫花含笑花被呈紫色的主要物质，以木犀草素衍生物为代表的黄酮类物质，以山奈酚类和槲皮素类衍生物为代表的黄酮醇类物质可能通过共着色的作用促进花被紫色的形成。

（5）转录组测序结果表示，花被呈色过程中测得122017条基因表达，共注释了36361条，其中 St1 vs. St2出现差异表达基因最多，共有2653 条；在St2 vs. St3出现差异表达基因最少，为362条；且只有6条差异表达基因在所有比较组内出现。其中共鉴定出22个花色相关的差异基因，包括PAL、C4H、CHS、F3’H、F3H、DFR、ANS等结构基因，MYB、bHLH、WD40等调节基因和ABC等转运蛋白基因。

关键词：紫花含笑，花色，细胞形态，生理机理，代谢组，转录组