植物赤霉素和生长素糖基化修饰的功能基因鉴定与作用分析

Abscisic acid (ABA) is a classic phytohormone that plays crucial roles in seed dormancy, seed germination, plant growth and development, lotus nodulation and plant disease resistance. ABA is accumulated quickly under abiotic stress conditions such as drought stress, and regulates the stomatal movement and the expression of stress inducible genes, reduces the water transpiration and increases plant drought resistance. Right now a lot of studies have been focused on ABA biosynthesis and transporting, stomatal movement and controlling gene expression. However, how ABA regulates root growth is barely explored. Root is critcal for plants to get enough water under drought stress. Root meristem activity is regulated by different phytohormones mainly as a consequence of their effects on a key auxin repressor, SHORT HYPOCOTYL2 (SHY2/IAA3). Here we plan to use different root ABA sensitive mutants to dissect the ABA-regulated cell division and differentiation in the root meristem, to find the relationship between ABA and auxin signaling components. Our study will provide new information and new genes for improving crop drought tolerance and crop yield.

赤霉素和生长素是植物的两大类重要激素，调控着植物生长发育的多个方面。这两类激素的糖基化修饰现象在植物界普遍存在，但是，负责糖基化修饰的功能基因是什么？糖基化修饰对这两类激素的活性有什么影响？它们对植物的生长发育又有什么作用？这些问题在植物激素领域很少研究，有的仍为空白。本研究项目是在前期“培育”项目基础上立题的，计划完成拟南芥整个糖基转移酶家族1中100多个基因的克隆，从中筛选鉴定赤霉素和生长素的糖基转移酶基因，然后通过基因过表达、基因敲除等遗传学手段来操纵赤霉素和生长素的糖基化修饰水平，进而研究糖基化修饰对植物体内赤霉素和生长素的活性水平、对激素合成与代谢基因的表达、对激素信号转导以及对植物生长发育的影响。从而了解糖基化修饰维持赤霉素和生长素活性的动态平衡以及发挥作用的分子机制。本研究从糖基化修饰入手，对于深入了解激素调控植物生长发育的基本规律具有重要科学意义。

生长素和赤霉素是植物的两大类重要激素，调节控制着植物生长发育的很多方面。这两类激素在植物体内普遍存在着糖基化修饰现象。但是，目前对于负责这两类激素糖基化修饰的功能基因及其生理学作用仍缺乏了解。本项目的目的是鉴定植物体内负责生长素和赤霉素糖基化修饰的糖基转移酶基因，研究糖基化修饰对激素活性、对激素动态平衡以及对植物生长发育的影响。理论上推测，激素的糖基转移酶应该属于植物糖基转移酶的第一家族。因此本项目以拟南芥第一家族糖基转移酶为研究重点，从该植物克隆了糖基转移酶第一家族全部的112个基因，纯化了其中90个酶蛋白，分析了其中50个基因的突变体，对生长素和赤霉素进行了广泛的糖基转移酶活性筛选鉴定。结合生物化学和遗传学等分析技术，获得如下重要研究结果：（1）发现糖基转移酶UGT75D1能够特异性糖基化修饰生长素吲哚丁酸（IBA），该糖基转移酶基因特异地在萌发期表达。UGT75D1催化的生长素糖基化修饰对子叶发育和萌发期的耐逆响应有重要影响。（2）发现糖基转移酶UGT74D1能够糖基化修饰生长素吲哚乙酸（IAA）和IBA，改变该糖基转移酶基因的表达影响了生长素的代谢以及IAA动态平衡，并且对叶子伸展和叶片角度发挥重要作用。（3）发现生长素糖基转移酶GTA2专一性糖基化修饰IBA，该基因对于体内IBA的含量水平有重要影响，并且通过IBA引起植物开花表型的改变。（4）首次对玉米全基因组糖基转移酶家族进行了分析，建立了玉米糖基转移酶的进化树，对玉米的激素相关糖基转移酶进行了预测，为研究作物中的激素糖基化问题奠定了基础。本项目也对赤霉素糖基转移酶活性进行了大规模筛选，分析了90个糖基转移酶，但是目前还没有得到鉴定。本项目成功鉴定了三个生长素糖基转移酶基因，研究了它们的表达模式和生物学效应，首次发现这些生长素糖基化修饰基因通过影响生长素动态平衡，特异性地参与种子萌发、子叶生长、逆境响应、叶片角度、开花时间等生理学过程，这些研究结果对于加深理解激素代谢修饰的生物学意义有重要推动作用。已经发表7篇SCI论文，还有部分研究结果正在整理和投稿。本项目达到了预期目标，较好地完成了研究任务。