木薯干旱胁迫相关R2R3-MYB转录因子的功能及分子调控机理研究

Cassava (manihot esculenta) has a specific intermittent drought tolerance mechanism: drought-the bottom leaf abscission-the top leaf keep on photosynthesis-keep plant alive-sufficient water supply-the plant growth recovery. Analysis of drought response genes in cassava leaf and petiole showed that many MYB genes were involved in dorught response. Among these MYB genes, MeMYB1, MeMYB2, MeMYB4 and MeMYB9 were identified as R2R3-MYB transcriptional facros. Furthemore, MeMYB2 and MeMYB9 proteins could binding to a drought response cis-element. In this project, these 4 R2R3-MYB transcriptional factors will be overexpression or knockdown in transgenic cassava to analyze the function and regulation of them. Moreover, those genes that are directly regulated by MeMYB2 or MeMYB9 will be identified. The achivements of this project will be helpful to understanding the drought tolerance mechanism of cassava, supply the gene resource for cassava molecular breeding, and provides a valuable reference to the study of drought response mechanism in other crops.

木薯对热带地区间歇性干旱有独特的适应机制：干旱-渐次脱叶-顶部叶片维持正常光合作用-存活-水分充足-植株生长恢复。在模式植物中的研究发现，有多个MYB转录因子参与调控植物叶片对干旱胁迫信号的响应。对木薯叶片（包括叶柄）中响应干旱胁迫的4个R2R3-MYB基因MeMYB1、MeMYB2、MeMYB4、MeMYB9进行初步分析，发现它们均定位于细胞核中，在酵母中具有明显的转录激活功能，其中MeMYB2和MeMYB9能够与干旱胁迫相关的顺式作用元件结合。本项目拟通过转基因木薯对这4个R2R3-MYB转录因子的功能进行研究，利用RNAi技术分别干扰相应MYB基因在木薯中的表达，鉴定可能被它们直接调控的下游基因，分析MeMYB2和MeMYB9在相应调控途径中的作用。研究成果将有助于揭示木薯对间歇性干旱的适应机制，为木薯分子定向育种提供基因资源，并对其他作物的干旱胁迫响应机制研究具有参考意义。

木薯是热带地区一种重要的块根类作物，对间歇性干旱具有明显的耐受性。通过转录组、qPCR等方法我们筛选到多个木薯干旱胁迫相关的MYB基因，并对其中的数个基因进行了初步的特性分析。本项目在此基础上，拟通过转基因木薯验证所筛选到的干旱胁迫相关MYB转录因子MeMYB1/2/4/9的功能，分析受上述转录因子调控的下游基因，对转录因子MeMYB1/2/4/9在木薯干旱胁迫信号传导途径中的作用进行研究。我们发现其中MeMYB1和MeMYB2的表达对ABA处理并没有响应，推测这两个MYB转录因子在非ABA依赖途径响应干旱胁迫。随后，我们获得了5个MeMYB1-RNAi和7个MeMYB2-RNAi的转基因木薯株系。MeMYB2-RNAi转基因木薯的表型分析结果表明，干扰MeMYB2基因的表达可以提高木薯对渗透压胁迫和干旱胁迫的耐受性。另外，在正常生长条件下，转基因木薯叶片的净光合速率明显高于非转基因对照，这表明MeMYB2转录因子同时也调控木薯光合作用相关途径。通过RNA-Seq对MeMYB2-RNAi转基因木薯差异表达基因进行分析，结果发现在转基因木薯中光合途径相关的酶以及氧化还原相关酶基因表达差异显著。阐明了木薯R2R3-MYB转录因子MeMYB2通过非ABA依赖信号传导途径响应干旱胁迫信号，调控木薯对干旱胁迫的耐受性，并在光合作用相关途径起重要的调控作用。本研究所获得的MeMYB2-RNAi转基因木薯具有抗逆、高产的潜力，为抗逆、高产木薯新品种培育奠定基础。