普通小麦花发育相关基因AGAMOUS LIKE 6 (AGL6) 功能解析

Wheat is one important cereal crops. The molecular mechanism to control the wheat flower development remains unclear. With the important progresses in wheat genomics and the establishment of mature genetic transformation system, the research trend in wheat biology is functional genomics that focuses on elucidating gene biological functions. Based on cloning three homoeologous TaAGL6 genes, sequencese and expression pattern of these genes were analyzed, in addition to analysis of transgenic Arabidopsis over expressing these genes. Results imply these three genes probably function redundantly to regulate the flower development. Based on these results, this program plans to do several research works: 1. to elucidate gene function by adapting RNA interference(RNAi) strategy to silence the expression of three copy TaAGL6 genes simultaneously and analyzing transgenic wheats of the RNAi and overexpression of TaAGL6; 2. to reveal the molecular mechanism of gene function through downstream gene analysis, protein interaction research relying on ChIP(Chromatin Immunoprecipitation assay), gene expression profile analysis and yeast two hybiridization and other technology; 3. to evaluate the breeding value of TaAGL6 genes by analyzing transgenic wheat over-expressing TaAGL6 genes too. Meanwhile, for the sake of gaining triple mutant lines of three TaAGL6 genes, this program tries to induce Site-directed mutagenesis targeting three TaAGL6 genes using CRISPR-Cas9 system, one genome editing technology based on sequence-specific nuclease Cas9. Following the international research trend in wheat biology, this program is creative, novel and systematic. Research results will promote the research on wheat flower development and lay a theoretical foundation for utilizing TaAGL6 genes in wheat genetic improvement.

小麦是重要的粮食作物，控制其花发育的分子机理还不清楚。随着基因组学取得重要突破和转化技术的成熟，小麦生物学的研究趋势是功能基因组学，解析基因生物学功能。在克隆到3个拷贝TaAGL6基因的基础上，序列分析、表达模式分析和拟南芥过量表达等结果表明3个基因可能功能冗余地调控花的发育。基于这些结果，项目计划: 1.通过RNA干扰同时沉默3个基因的表达和对RNA干扰以及过量表达转基因小麦的分析研究TaAGL6功能；2.通过染色质免疫共沉淀、基因表达谱分析方法寻找TaAGL6下游基因和蛋白质相互作用研究，揭示基因作用分子机理；3.通过分析过量表达转基因小麦评估基因的育种价值。最后，尝试运用CRISPR-Cas9系统定点突变TaAGL6基因,为获得三突变体奠定基础。项目紧跟小麦生物学国际发展趋势，具有创新性、原创性、系统性，结果将促进小麦花发育的分子机理研究，为运用TaAGL6进行遗传改良奠定理论基础。

花器官的发育是种子形成的基础。水稻和玉米中的研究表明，AGAMOUS LIKE 6（AGL6） 基因调控花器官的发育。重要粮食作物小麦中AGL6基因的功能还不清楚。生物信息学发现，普通小麦A、B和D亚基因组中分别有一个拷贝的AGL6基因,但是它们的生物学功能还不清楚。基于这些背景，项目通过定量PCR和mRNA原位杂交，分析了该基因的表达模式；构建了同时沉默三个拷贝基因表达的RNAi载体，转化小麦获得了阳性转基因株系。通过分析RNAi转基因小麦的表型，鉴定了小麦AGL6基因的功能。通过分析其他基因表达水平，运用酵母双杂交、BIFC和CO-IP实验研究了蛋白质相互作用研究，通过EMSA实验和酵母单杂交鉴定了小麦AGL6基因的下游基因。总的来说，通过该项目的实施，我们克隆了小麦AGL6基因，分析了它们的表达模式，鉴定了生物学功能，解析了作用的分子机理。. 结果表明：小麦三个拷贝的AGL6基因序列同源性很高，在蛋白质水平上只有几个氨基酸的差异。三个拷贝的基因高水平在花器官和花分生组织中表达，在外稃、浆片中的表达水平比较高，在心皮和胚珠中也有表达，但在外稃和雄蕊中表达水平较低，原位杂交几乎检测不到。这些结果暗示三个基因冗余的发挥作用。RNAi转基因分析结果表明，小麦AGL6基因功能出现分化，主要调控雄蕊的发育。蛋白质相互作用研究结果表明，AGL6转录因子能够和小麦B类、C类、D类以及E类基因的产物相互作用。生化实验进一步表明小麦AGL6转录因子通过直接调控花发育B类基因AP3的表达，调控雄蕊的发育。. 项目最主要的发现：小麦AGL6通过直接调控AP3的表达，影响雄蕊的发育。相关结果发表在发育学经典期刊Development 上面。.项目合成了特异的多肽，免疫兔子获得了特异抗体。这些研究为进一步鉴定小麦AGL6基因的下游基因奠定了基础。项目同时还分析了小麦其他花发育相关基因的表达模式，研究结果发表在作物学报期刊。项目还围绕水稻花发育做了一些工作，研究结果发表在Frontiers in Plant Science上面。项目同时围绕小麦同源物种、禾本科新型模式植物二穗短柄草AG6基因开展了工作，为进一步研究该基因的生物学功能奠定了基础。. 项目的科学意义：加深和拓宽了对AGL6基因功能和作用机理的理解，促进了小麦花发育分子机理的揭示。