HD-ZIP III类转录因子对棉花顶芽和腋芽分化的调控及其分子机制研究

Detopping is the key technique widely used in China cotton field , while the traditional artificial detopping production efficiency is low, it cost much time and manpower, so a highly efficient detopping technique is urgent for cotton production. Our project proposes the tentative idea of biological detopping, which directly regulate cotton shoot apical meristem (SAM) and axillary meristems (AMs) differentiation by controlling gene expression. This technique has same effect with artificial detopping. This project mainly focus on cloning cotton HD-ZIP (Homeodomain-leucine zipper) III transcription factor which play an important regulation role in plant cell differentiation process in main cultivated upland cotton (Gossypium hirsutum), and we also need verify this transcription factor activity and function, demonstrate the mechanism of its effect on controlling cotton SAM and AMs differentiation. Finally, we silent HD-ZIP III genes at different development stages by the technique of virus induced gene silencing technique (VIGS) in cotton to explore the appropriate time of cotton biological detopping. The research will provide technique basis for the development of cotton biology detopping technique, promote cotton simplified cultivation, and improve the efficiency of cotton production in our country.

棉花打顶是我国各棉区普遍采用的一项关键技术，但传统的人工打顶生产效率低，费工费时，迫切需要开发新的高效打顶技术。本项目提出生物打顶的设想，即应用可行手段在分子水平上直接调控与棉花顶芽和腋芽分化有关的基因表达，起到人工打顶的作用。本项目拟克隆棉花主要栽培种陆地棉(Gossypium hirsutum)的HD-ZIP (Homeodomain-leucine zipper) III转录因子(对植物多种细胞分化过程有重要调控作用)基因，验证其转录因子活性和功能，明确其对棉花顶芽和腋芽分化的调控效应，并探明在此过程中HD-ZIP III与auxin是否存在相互作用，最后采用病毒诱导的基因沉默技术(TRV-VIGS) 在棉株不同生育时期沉默HD-ZIP III基因，以探索棉花生物打顶的适宜时间。研究结果将为棉花生物打顶技术的开发提供理论依据，对推动我国棉花简化栽培和提高植棉效益具有重要意义。

棉花打顶是我国各棉区普遍采用的一项关键栽培措施，但费时费工，需要替代。本项目探索了通过干预棉花顶芽发育基因进行生物打顶的可行性。首先在陆地棉中克隆了与顶芽发育相关的转录因子HD-ZIP III家族的9个基因，其中包括4个GhREV基因（在拟南芥中功能最强），分别命名为GhREV1、GhREV2、GhREV3及GhREV4。GhREV2和GhREV4在棉株顶芽中的表达量最高；LUC/GUS荧光素酶报告基因测试结果显示GhREV2和GhREV3为转录激活活性，GhREV1和GhREV4无转录激活活性；GhREV2定位于细胞核；因此判断GhREV2与棉花顶芽发育的关系比较密切。采用病毒诱导基因沉默法（Virus-induced gene silencing, VIGS）发现，VIGS-GhREV2处理45.5%的幼苗在7-8叶期时顶芽停止发育，且其GhWUSA10和GhSTM（顶芽发育明星基因）的表达量显著下调。对VIGS-GhREV2棉株的顶芽进行了RNA-Seq分析，从差异表达基因（DEG）中筛选到与顶芽发育相关的基因RID5和YABBY3。外源应用生长素运输抑制剂N-萘基邻氨羰基苯甲酸（NPA）影响棉花顶芽和叶片中GhREV2的表达量，提示生长素与GhREV2可能存在互作。外源应用赤霉素4（GA4）和细胞分裂素类物质6-苄氨基腺嘌呤（6-BA）对棉花顶芽中GhREVs的表达水平无显著影响。因VIGS对环境温度的要求为<22℃,而田间苗蕾期气温较高（>30 ℃），因此在田间应用VIGS沉默GhREVs基因的效果不好，也不影响顶芽和腋芽的发育，未来需要探索在田间条件下可干预基因表达的新方法。本研究结果表明，GhREV2对棉花顶芽的生长发育具有调控作用，为探寻棉花生物打顶途径提供了理论依据。