小麦TaWRKY71转录因子在气孔应答ABA信号中的生物学功能及其分子机制

Stomata are pores on the leaf surface, bounded by two guard cells which regulated stomatal aperture. The soil drought or other abiotic stresses lead to ABA building up and stomata closure. This allows plants to conserve water and enhance stress tolerance. WRKY transcription factors (TFs) involve in plant stress responses. However, there have been few studies on roles of WRKY TFs in the regulation of stomatal function under stresses. In previous studies, we have conducted the wheat transcriptomic sequencing using guard cells and identified TaWRKY71 gene whose expression patterns have a significant change after ABA treatment in guard cells. Compared to wild-type, the TaWRKY71 overexpressing lines showed lower leaf surface temperature and stomatal phenotype were significantly different. In this study, we will use TaWRKY71 overexpressing wheat lines to measure stomata responses to ABA and relevant stresses. Using ChIP-seq, Yeast two-hybrid and RNA-seq assays, TaWRKY71 targeted and induced genes, and TaWRKY71 interacting proteins could be detected thoroughly. The correlation between the sequence variation of TaWRKY71 gene and stomatal functions will be analyzed to determine the polymorphic sites related to stomatal function. Therefore, the molecular mechanism of TaWRKY71 regulated stomatal response to ABA will be clarified, and our understanding on the theory and application of plant resistance will be further deepened.

气孔是植物体表面的特化结构，由一对保卫细胞围成并由其控制气孔开度。干旱等逆境胁迫导致脱落酸(ABA)的积累，从而促进气孔关闭，减少水分散失，提高植物抗逆性。WRKY基因家族成员参与调控植物对逆境胁迫的应答反应，但是有关WRKY基因调控逆境胁迫下气孔功能的研究鲜有报道。在前期研究中，我们筛选到ABA处理后在保卫细胞中表达模式有显著改变的TaWRKY71基因，过表达该基因的拟南芥叶片温度显著降低，气孔功能与野生型有显著不同。本研究拟利用TaWRKY71过表达转基因小麦材料，分析其气孔应答ABA及其相关逆境胁迫的反应，利用RNA-seq、ChIP-seq和酵母双杂交技术，鉴定TaWRKY71诱发的差异表达基因、调控的靶基因、及与其互作的蛋白；对气孔功能关联分析群体进行等位变异分析，确定影响气孔功能的多态性位点。从而解析该基因调控气孔应答ABA的分子机制，深化植物抗逆的理论与应用。

气孔是植物体表面的特化结构，由一对保卫细胞围成并由其控制气孔开度。干旱等逆境胁迫导致脱落酸(ABA)的积累，从而促进气孔关闭，减少水分散失，提高植物抗逆性。WRKY基因家族成员参与调控植物对逆境胁迫的应答反应，但是有关WRKY基因调控逆境胁迫下气孔功能的研究鲜有报道。TaWRKY71是依据小麦保卫细胞转录组测序分析得出受ABA诱导表达显著改变的基因，在前期研究中，过表达该基因的拟南芥叶片温度显著降低，气孔功能与野生型有显著不同。为验证该基因在小麦中的功能及其分子机制，本研究利用TaWRKY71过表达转基因小麦，分析其气孔应答ABA及低湿等相关逆境胁迫的反应，得出在水肥条件良好的条件下，处于低空气湿度的环境中，TaWRKY71基因过表达的小麦比野生型蒸腾速率更大，散失的水分更多，在低空气湿度下可以更稳定的生长发育；此外，过表达植株气孔指数与野生型差异极显著。本研究还应用CRISPR/Cas9技术，针对TaWRKY71基因三个部分同源基因保守区设计敲除靶点，通过遗传转化，结合Hi-TOM靶位点测序分析，获得三重敲除突变体植株。在敲除突变体抗旱研究中，发现突变体叶片失水率明显高于野生型，绝对含水量差异显著，其苗期抗旱性差，表明TaWRKY71基因可能参与植物抗旱生理过程；在此基础上对敲除突变体小麦进行ABA处理并进行转录组测序分析，共得到差异表达基因1658个，其中1396个差异基因上调表达，262个差异基因下调表达。这些差异表达基因编码色氨酸代谢、玉米素生物合成和二萜生物合成等植物激素信号途径相关蛋白。我们的研究结果揭示了该基因参与调控气孔应答ABA信号的生物学功能，为该基因用于分子育种提供了材料基础，深化了植物抗逆的理论与应用。