果皮颜色是苹果(Malus domestica Borkh.)一个重要的农艺性状,直接影响着苹果的商品价值。苹果果皮颜色主要由花青素、类胡萝卜素等含量决定。芽变是发现优于亲本的新品种或新品系的一个重要方法,是果树品种改良的重要途径之一,而果皮颜色是苹果等芽变选种的主要依据之一,如‘元帅’系苹果品种的筛选主要与果皮着色度有关。目前虽对苹果等果实着色的分子调控机制有比较深入的系统认知,但对于不同芽变品种间果皮着色差异机理的尚不清楚。因此,本文选用‘元帅’(G0)及其四代连续自然突变体(分别为‘红星’(G1)、‘新红星’(G2)、‘康拜尔首红’(G3)和‘瓦里短枝’(G4))作为研究材料,通过果实着色相关生理生化指标的测定,结合全基因组DNA甲基化测序和转录组测序技术,对比亲本与每代自然突变体之间的全基因组甲基化水平和转录水平的差异,分析与果皮着色相关的候选基因,以期探究芽变品种间果皮着色差异的机理,为苹果果实色泽的遗传改良提供理论依据。主要结果如下:1.果皮着色从G0到G4逐渐增加,且四代突变体中的花青素含量均高于‘元帅’。早期苯丙酸生物合成基因ASP3、PAL、4CL、PER、CHS、CYP98A和F3’H在‘元帅’及其四代芽变品种中的表达趋势与花青素含量的变化趋势一致。2.转色期花青素含量与内源IAA和ABA含量的变化趋势一致,而与GA呈相反的趋势。IAA的色氨酸代谢、GA的二萜类生物合成和ABA的类胡萝卜素生物合成,都是萜类骨架合成途径的分支。参与萜类化合物生物合成基因AACT1、HMGS、HMGR、MVK、MVD2、IDI1和FPPS2均呈下调表达,而激素信号转导途径中的基因AUX1、SAUR、GID2、PP2C和SnRK2均呈上调表达。3.与G0比较发现,从G1到G4的差异甲基化区(DMRs)和差异甲基化基因(DMGs)的数量显著增加。苹果中的~mCHH的甲基化类型占主导地位,但DMGs的~mCG和~mCHG水平明显高于~mCHH。4.类黄酮生物合成途径基因(PAL、4CL、CYP98A、PER、CCoAOMT、CHS和F3’H)中~mCG和~mCHG的甲基化水平,以及MYB10上游区域中~mCHG甲基化水平与花青素含量及其mRNA水平呈负相关。5.生物信息学分析表明,MdLUX和MdPCL-like在C末端含有一个保守的基序SH[AL]QKY[RF],且定位于洋葱表皮细胞的细胞核内。‘Gala’愈伤组织和拟南芥中MdLUX和MdPCL-like的过表达促进了花青素的积累。酵母单杂交分析显示,MdLUX和MdPCL-like可能与花青素生物合成基因MdF3H的启动子区结合,双荧光素酶分析表明MdLUX和MdPCL-like激活了MdF3H基因的体内表达,全基因组DNA甲基化证据显示,MdLUX和MdPCL-like上游(即启动子区)的~mCG甲基化水平较高,与其mRNA水平和花青素积累呈负相关。综上所述,芽变品种果皮中花色苷的积累与早期苯丙烷生物合成基因的上调表达有关,且参与萜类生物合成基因的下调表达正向诱导了激素信号转导相关基因的表达,从而促进了IAA和ABA的合成,减少了GA的合成,进而调节花色苷的积累。此外,‘元帅’苹果芽变品种果皮颜色的演变与DNA甲基化差异有关,花青素合成相关部分结构基因和转录因子MdLUX和MdPCL-like启动子区的~mCG低甲基化导致转录激活,有利于花青素的积累。