铁皮石斛ZRF1同源基因在附生根发育中的功能保守性和分歧研究

Dendrobium catenatum (also known as D. officinale) is a rare and valuable medicinal plant with epiphytic lifestyle largely attributed to its modified root type — aerial root, but the molecular mechanism underlying its development is poorly understood. It has been reported that animal histone H2A mono-ubiquitination reader ZRF1 (ZUO1-Related Factor 1) possesses two orthologs in model plant Arabidopsis thaliana, AtZRF1a and AtZRF1b, which redundantly implicate in regulating multiple developmental events. Our currently available data suggest that loss of AtZRF1a/b function leads to severe defects of cellular pattern and cell identity maintenance in root apical meristem. On the other hand, there is evidence that DcZRF1, a ZRF1 ortholog in D. catenatum, has important functions in regulating the aerial root development associated with its epiphytic lifestyle. Therefore, we project to investigate the functional conservation and divergence of D. catenatum DcZRF1 in modified aerial root development on the aspects of spatiotemporal expression pattern, gene function and interaction factors, compared with the abovementioned roles of Arabidopsis AtZRF1 in normal root type. This study will contribute to elucidate the mechanism of epiphytic root formation and the function of DcZRF1 gene in root development and provide important theoretical basis for breeding D. catenatum with ideal aerial root structure.

珍稀名贵药用植物铁皮石斛的气生根与其附生生活方式息息相关，但气生根发育的分子机制尚不清楚。已报道动物组蛋白H2A单泛素化标记“识别子”ZRF1（ZUO1-Related Factor 1）在模式植物拟南芥中有两个同源基因，AtZRF1a和AtZRF1b，且它们冗余参与调控多个发育事件。申请人已有研究基础显示AtZRF1a/b功能缺失导致根尖分生组织的细胞模式和细胞特性维持受到严重干扰。另一方面，有证据提示铁皮石斛ZRF1同源基因DcZRF1在调控其附生生活方式的气生根发育方面具有重要功能。本项目拟以上述AtZRF1在普通型根发育中的角色为参照，从时空表达模式、基因功能和互作因子三个方面比较分析铁皮石斛DcZRF1在变态气生根发育中的功能保守性和独特性。本项目的研究结果有助于阐明附生型气生根的发生机制以及DcZRF1基因在根发育中的功能，并为培育具有理想根系构造的铁皮石斛品系提供理论依据。

珍稀名贵药用植物铁皮石斛独特的附生生活方式导致其气生根有别于传统根发育的特殊性，但潜在的分子机制尚不清楚。已报道动物组蛋白H2A单泛素化标记识别子ZRF1在模式植物拟南芥中有两个同源基因AtZRF1a和AtZRF1b，且它们冗余参与调控多个发育事件。我们研究显示AtZRF1a/b功能缺失导致根分生组织的细胞模式和细胞特性维持受到严重干扰。另一方面，有证据提示铁皮石斛ZRF1同源基因DcZRF1在调控其附生生活方式的气生根发育方面具有重要功能。本项目以拟南芥AtZRF1在普通型根发育中的角色为参照，从时空表达模式、基因功能和互作因子三个方面比较分析铁皮石斛DcZRF1在变态气生根发育中的功能保守性和独特性。研究揭示了铁皮石斛气生根的生物学特异性，发现根被-外皮层复合体在铁皮石斛附生生活中发挥关键角色；追溯了铁皮石斛根最初内起源于兰科特异器官原球茎的基部，显著不同于传统的拟南芥根起源于胚根；追踪了铁皮石斛气生根在生长发育中的细胞模式建成，显示其存在与附生生活相适应的发达特化根被和退化根冠；阐明了栽培模式和种质对铁皮石斛根发育的影响，表明根被结构在适应不同环境中和不同遗传背景下进行动态调整性发育。揭示了铁皮石斛对生长素具有高耐受性，以及生长素对铁皮石斛根发育的双重效应，相对低浓度促进根的伸长，与细胞壁合成基因（CSA和CSL）的诱导表达有关；高浓度抑制细胞分化、促进细胞增殖与WOX11-WOX5再生途径相关基因和细胞分裂调节基因显著上调有关。进一步发现铁皮石斛ZRF1蛋白定位于细胞核和细胞质，转录本在根尖分裂活跃的分生区强烈表达，与拟南芥同源基因一致。利用Y2H系统、亲和层析-质谱技术获取 ZRF1互作因子，鉴定到铁皮石斛DcZRF1互作因子既有保守的转录调控和分子伴侣功能，又参与H3K27me3去甲基化、蛋白磷酸化与去磷酸化等特异过程。通过构建植物过表达载体和基因敲除载体，发现铁皮石斛DcZRF1可遗传互补拟南芥atzrf1突变表型，然而dczrf1基因敲除铁皮石斛发根的细胞模式和野生型类似，表明铁皮石斛ZRF1在调控气生根发育中存在保守性和特异性机制。本项目的结果阐明了附生型气生根的发生机制以及DcZRF1基因在根发育中保守性和特异性，为培育具有理想根系构造的铁皮石斛品系提供理论依据。