摘要
谷子（Setariaitalica）既是传统杂粮作物，也是优质牛羊粗饲料。作为饲草，谷子茎秆适口性好，易消化，便于加工和贮藏。花青苷是来源于植物中的天然色素，具有抗氧化和抗炎等功效。富含花青苷的谷子结合二者的营养特性，是饲草品种的优质选择。然而，谷子花青苷合成关键基因未被充分挖掘、合成机制仍缺乏深入研究。本研究首先对谷子种质资源叶色表型开展全基因组关联分析，寻找与紫叶性状紧密关联的基因位点；为探明谷子紫叶表型与花青苷积累的关系，对紫叶谷子品种B186进行表型鉴定以及花青苷定量分析，通过液相色谱串联质谱手段对B186成熟期叶片进行花青苷代谢组分析，并利用微流控芯片平台验证谷子B186花青苷粗提取物的抑菌效果；为深入发掘谷子花青苷生物合成关键基因，本研究构建B186与21DG的杂交群体并利用图位克隆定位花青苷合成关键基因SiANF1（Seita.8G063700），通过粉花烟草K326遗传转化验证SiANF1基因功能，并分析B186中sianf1基因的序列与结构变异以及SiANF1与sianf1蛋白在细胞分布的差异；最后，利用生物信息学方法鉴定谷子HD-ZIPⅣ基因家族成员，并对其蛋白质序列与结构特征、基因结构、系统进化、共线性、顺式作用元件和组织特异表达进行分析。主要研究结果如下： 1.谷子叶色全基因组关联分析筛选到19个与花青苷合成相关的候选基因。其中，Seita.8G063700的同源基因拟南芥ANL2参与花青苷的合成调控；Seita.7G195400调控谷子叶鞘花青苷的积累。 2.谷子B186成熟期叶片的花青苷含量达到峰值，显著高于21DG。两个谷子种质叶鞘的花青苷含量在不同的生育时期都存在极显著差异。花青苷代谢组分析显示B186和21DG成熟期的叶片共包含53种花青苷。B186叶片主要花青苷种类是矢车菊素，其中矢车菊素-3-O-(6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷)和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷的含量差异可能是导致B186与21DG叶色差异的根本原因。 3.微流控芯片抑菌试验表明，谷子B186花青苷粗提物对大肠杆菌存在抑制作用；花青苷粗提物浓度越高，抑菌效果越强。 4.谷子紫叶表型受到双基因座控制。在谷子8号染色体定位到1个参与调控叶片花青苷合成的关键基因SiANF1。相对于21DG中SiANF1基因，B186中sianf1第6个外显子近末端缺失13bp，导致移码突变，翻译提前终止。过表达SiANF1烟草花色比野生型浅，过表达sianf1烟草花色比野生型深，但三者颜色差异不显著。 5.亚细胞定位结果显示SiANF1与sianf1蛋白定位在细胞核与细胞膜。 6.谷子全基因组共包含17个HD-ZIPⅣ基因家族成员，且不均匀地分布在谷子的8条染色体。谷子HD-ZIPⅣ家族成员蛋白质结构较保守，与玉米和水稻HD-ZIPⅣ蛋白有更近的亲缘关系。谷子HD-ZIPⅣ基因启动子区存在大量响应光信号、茉莉酸甲酯和脱落酸的顺式作用元件。谷子HD-ZIPⅣ基因中部分成员具有组织表达特异性，在植株地上部分的表达水平普遍高于地下部分，在红光和强光的刺激下基因表达量提高。 本研究以紫叶谷子种质B186为研究材料，探明花青苷是B186叶片的主要呈色物质，B186叶片中花青苷含量丰富并且具有抑菌功效；通过谷子种质资源叶色的全基因组关联分析和图位克隆定位到谷子花青苷合成关键基因SiANF1，并进一步探究SiANF1在谷子花青苷合成中的调控机制，为富含花青苷饲用谷子的应用和推广奠定理论基础。
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