杨絮起始发育关键基因及互作因子研究

China is the country possessing the largest area of poplar man-made forest. Poplar seed hair causes serious environmental pollution, which has become important factors restricting the development of the poplar industry nowadays. Therefore, for the genetic research of poplar, it is an important scientific issue to clarify the molecular interaction mechanism of the initial development of poplar seed hair. It is well known that the differentiation of plant epidermal cells is a very complex mechanism of molecular regulation. However, few studies have explored the differentiation of epidermal cells in floral organs. Poplar seed hair fibers are formed by the bulge of placenta epidermal cells, which exhibit the similar biological characteristics to the development of cotton fibers. Key genes that control the initial development of cotton fibers have been cloned by using the "fiberless" cotton mutants, and these genes belong to the MIXTA class transcription factors. In this project, referring to the molecular regulation of the initial development of cotton fibers, we aim to screen the the candidate MIXTA gene which preferentially expressed in the poplar placenta-derived cells based on the expression patterns and in situ hybridization of MIXTA at different stages of the initial development of poplar seed hair fibers. Furthermore, the yeast library of the inflorescence of female plants will be constructed, and the candidate MIXTA gene will be used as a bait vector to screen the interaction genes. Finally, the interaction can be confirmed by the Yeast Two-Hybrid System, the Bimolecular Fluorescence Complementation System (BiFC) and the GST Pull-down technology. This study will provide a theoretical guidance for the cultivation of new varieties of non-fiber poplars.

我国是杨树人工林面积最大的国家，杨树飞絮造成严重的环境污染，成为当前制约杨树产业发展重要因素，阐明杨絮起始发育的分子互作机理，是杨树遗传研究面临的一个重要科学问题。植物表皮细胞分化，有着十分复杂的分子调控机理，目前花器官表皮细胞分化的研究报道较少。杨絮是由胎座表皮细胞凸起发育而成，与棉纤维发育有相似的生物学特性，以棉花“光子”突变体为研究材料，已克隆了控制棉纤维起始发育的关键基因MIXTA类转录因子。在本项目研究中，申请人拟以棉纤维起始发育的分子调控为参考，通过对MIXTA基因在杨絮起始发育过程中的表达模式和组织原位杂交分析，找到在胎座凸起细胞中优势表达的MIXTA基因作为候选基因；构建雌株开花当天花序的酵母文库，以候选MIXTA基金为诱饵载体，筛选互作基因。最后，利用酵母双杂，双分子荧光互补和GST Pull-down技术确定两者的互作关系，项目研究将为培育不飞絮杨树新品种提供理论指导。

我国是杨树人工林面积最大的国家，杨树飞絮造成严重的环境污染，成为当前制约杨树产业发展重要因素，克隆调控杨絮发育的关键基因，鉴定其分子调控机制，是杨树遗传研究面临的一个重要科学问题。杨絮是由胎座表皮细胞凸起发育而成，属于植物表皮毛发育的一种类型。MIXTA基因属于MYB转录因子家族的一个亚类，目前已经证明参与调控多种植物类型的表皮毛起始发育，包括棉纤维起始发育、花瓣凸起的形成、植物表皮毛的起始发育等。.项目以速生优良树种美洲黑杨为实验材料，克隆MIXTA基因家族成员，分析MIXTA基因成员的表达模式，遗传转化拟南芥验证其功能。同时构建杨絮细胞分化组织的酵母文库，以MIXTA基因为诱饵载体筛选酵母文库，鉴定MIXT基因组成的转录调控复合体各成员，为无絮杨新种质的创制提供重要的靶基因。.通过项目的实施，取得了如下主要成果：（1）在美洲黑杨主推品种南林895杨中，克隆到8个MIXTA基因家族成员，依据其在染色体上的位置，分别命名为PdeMIXTA01-PdeMIXTA08，其基因序列均包含R2R3 MYB结构域和MIXTA motif保守序列。（2）在杨絮细胞分化的不同时期组织中，完成了MIXTA基因家族成员的表达分析， 其中PdeMIXTA02、PdeMIXTA03、PdeMIXTA04在杨絮起始发育关键特异表达，其PdeMIXTA04的表达量最高。（3）分别构建MIXTA基因家族成员的过表达载体，进行拟南芥的遗传转化实验，结果显示PdeMIXTA04基因可以促进拟南芥毛状体的极显著增加。（4）PdeMIXTA04基因互补拟南芥无毛突变体gl1，使其恢复表皮毛表型；同时PdeMIXTA04启动子融合GUS基因进行拟南芥遗传转化实验，验证该启动子只作用在拟南芥的毛状体中。（5）构建杨絮细胞分化组织的酵母文库，以PdeMIXTA04基因为诱饵载体筛选文库，结果筛选到含有bHLH结构的PdeMYC基因和含有WD40的PdeWDR基因；通过酵母双杂验证PdeMIXTA04基因分别与PdeMYC基因和PdeWDR基因存在互作关系，该发现证实了杨树中的MIXTA基因符合MYB-bHLH-WD40的MBW复合体调控模式。.在基金的资助下，发表了包括《Horticulture Research》在内的3篇SCI论文，2篇中文核心论文，授权发明专利1项，培养硕士研究生2名。