菠菜（Spinacia oleracea L.）是我国重要的叶菜类蔬菜之一,2014总产量高达2194万吨。菠菜品种繁多,但是紫红色菠菜品种却极为少见。紫（红）类蔬菜富含花青素,营养品质一般较高,且具有一定的保健和观赏功能,是现在蔬菜市场上的一大热点。因此,本研究结合所获得的紫色菠菜材料构建研究群体,并以课题组开发的菠菜转录组和基因组数据库为基础,探究紫色菠菜呈色原因和挖掘花青素合成途径的相关关键基因,为紫色蔬菜分子水平遗传改良提供理论基础。本研究利用生物信息学手段完成了菠菜全基因组花青素结构基因和调节基因的鉴定,并对相关转录因子进行了功能预测;构建菠菜花青素F₂分离群体,对群体中322个菠菜植株进行性状调查,包括外观性状、营养品质性状和色素类物质,并通过多元统计分析等方法评价群体种质资源的遗传多样性,探究花青素相关性状的表型分布和呈色原因等;利用QRT-PCR技术分析菠菜花青素相关基因的表达水平及相互间的关系;本研究构建了F₂分离群体,为菠菜花青素分子标记的开发和高密度遗传图谱的构建提供基础,同时也为选育红色菠菜新品种提供材料来源。本研究结果如下:1.通过生物信息学分析,筛选到菠菜花青素相关基因45个,其中结构基因22个,调节基因23个。结构基因包括4CL、FLS、ANS各2个,CHS 4个,UGT 5个,其余花青素合成结构基因均为1个;筛选到调控结构基因表达的转录因子25个,其中BHLH家族蛋白15个,MYB家族蛋白6个,WD40家族蛋白4个;运用系统进化分析对相关转录因子做出功能预测,其主要可以分为四类:光调控类、激素调控类、胁迫调控类、未知类,其中光调控对植物花青素的合成和积累影响最为明显。2.F₂群体叶片和叶柄颜色调查发现,具有红色性状的植株总计265株,颜色主要表现在叶片和叶柄上,叶片和叶柄表现为绿色的植株总计87株。卡方检验结果显示显著性小于0.01,红色性状的植株与普通绿色植株的数量之比约为3:1,符合孟德尔遗传定律,说明紫红色性状是由单显性基因控制的。3.通过多元统计分析对F₂群体遗传多样性进行评价,322个菠菜植株可以通过8个因子进行评价,其中花青素因子中,叶色、叶柄色、叶片花青素含量、叶柄花青素含量对其载荷较高,另外植株大小因子、叶片形态因子、叶面光滑因子主要反映植株的农艺性状;可溶性糖因子、硝态氮因子、草酸因子和VC因子主要反映植株的营养品质。利用Ward离差平方和法方法,将F₂群体分为8个类群,其中Ⅷ类花青素含量最高,可用于花青素研究,Ⅳ类性状最优,草酸和硝态氮含量最低,VC和可溶性糖含量最高,花青素含量中等,可用于筛选新品种。4.通过对F₂群体中菠菜色素构成分析表明,紫红色菠菜中主要呈色因子是花青素,除微红组外,红色性状的植株在花青素含量、类黄酮含量、总酚含量和花青素/叶绿素的比值均要显著高于绿色性状的植株,而两者在总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b,类胡萝卜素含量方面仅在叶片中存在不显著的差异。5.通过对F₂分离群体中绿色菠菜植株38号和208号与红色菠菜植株42号和270号的叶片和叶柄中花青素代谢相关基因表达进行分析,结果表明:关键酶基因主要在红色材料42号和208号的叶片中具有较高的表达水平,其中早期花青素合成基因So CHS1表达水平最高,在2个红色材料的叶片中相对表达量是绿色材料的205倍和172倍;此外后期花青素合成基因的表达情况与早期基因相似,其中So UGT78D2表达水平最高,在2个红色材料的叶片中相对表达量是绿色材料的112倍和305倍。因此So CHS1和So UGT78D2这两个结构基因可能在菠菜花青素合成中起关键作用。菠菜花青素相关的调节基因的表达模式与结构基因类似,在红色材料42号和208号的叶片中具有较高的表达水平,其中主要包括R2R3-MYB类调节基因So MYB1、So MYB5,WD40类调节基因So WD1、So WD2、So WD4,b HLH类调节基因Sob HLH1、Sob HLH2、Sob HLH9。