拟南芥转录因子NAC103在逆境胁迫响应中的生物学功能及其调控机理

Environmental stress is one of the most important factors that affect the world's food production and quality. The study of gene regulatory networks in stress conditions is conducive to cultivate new varieties and increase food production. We first reported that the transcription factor bZIP60 directly regulated the expression of the NAC103 through the ER-stress related cis-element UPRE-III, and then the expressed NAC103 protein regulated the ER-stress genes such as BiP3、CRT1. However, how the transcription factor NAC103 directly regulate genes and its regulation network remain unknown. We still have no idea about the biology function of the NAC103 in the environmental stress. Using the new CRISPR/Cas9 system, we will try to construct the loss-of-function of NAC103 mutants, which will facilitate to study the biology function of the NAC103 in environmental stress. RNA profiling between the loss-of-function mutant and the wild type with or without the environmental stress will helf us to analysis the genes directly regulated by the transcription factor NAC103 and the its related mechanism. We will explore the regulation network of NAC103 in stress utilizing bioinformatics and experimental methods. All these study will uncover the molecular mechanism of the plants in response to stresses, which will be facilitate to culture new species and improve grain production. The study will provide an important theoretical basis and application value for development the green agriculture.

环境胁迫是影响全世界粮食减产、品质下降的重要原因之一，研究逆境条件下植物基因调控机制有利于提高农作物的耐逆性和粮食产量。我们首次报道了拟南芥bZIP60转录因子通过与内质网胁迫应答有关的顺式作用元件UPRE-III相互作用直接调控NAC103基因表达，NAC103蛋白进而调控BiP3、CRT1等下游基因。但NAC103转录因子在环境胁迫应答中的生物学功能、调控机制及其介导的调控网络尚不清楚。我们拟采取CRISPR-Cas9系统筛选NAC103功能缺失突变体，分析NAC103对生物胁迫和非生物胁迫的响应，探明NAC103在环境胁迫应答中的生物学功能；重点研究NAC103直接调控的下游基因及其调控方式，构建NAC103在内质网胁迫应答中的调控网络。这些问题的深入研究有助于揭示植物抗逆分子机制，有利于选育农作物抗逆新品种、提高粮食产量，为发展绿色农业提供了重要的理论基础和应用价值。

干旱、高温、盐害等非生物胁迫和虫害、病害等生物胁迫是影响农作物生长发育并造成产量减产的重要环境因素。NAC103是典型的NAC家族转录因子，NAC103基因通过内质网胁迫应答有关的顺式作用元件UPRE-III受bZIP60转录因子直接调控表达，表达后的NAC103蛋白进而调控BiP3、CRT1等内质网相关的下游基因。很多研究发现多种非生物胁迫能够引起植物内质网胁迫应答，从而减缓外界不利环境条件对植物生长发育的影响。但内质网胁迫相关转录因子NAC103参与哪种环境胁迫应答及其调控机制尚不清楚。通过本项目资助，我们采用RNAi系统构建了NAC103低量表达转基因植株，通过观察在含有内质网胁迫诱导剂衣霉素存在下的幼苗生长情况，发现NAC103表达量的提高有利于提高幼苗对内质网胁迫的耐受性，表明转录因子NAC103在抵御内质网胁迫的抗性应答中具有重要作用。在该项目的资助下，与复旦大学生命科学学院梁宁菁等合作，采用CRISPR/Cas9系统构建了NAC103功能缺失突变体，利用NAC103功能缺失突变体分析了NAC103与不同种环境胁迫的应答关系，研究发现不同表达量的NAC103转基因植株在脱落酸存在下影响了拟南芥的生长发育：在脱落酸存在下，NAC103过量表达抑制了种子萌发和幼苗生长，而NAC103功能缺失突变体促进了种子萌发，但幼苗生长与野生型拟南芥无显著差异，表明NAC103在脱落酸逆境条件下具有抑制种子萌发的生物学功能，这可用于农作物的遗传育种，降低农作物种子在不良条件下的萌发。进一步研究发现NAC103在转录水平和蛋白量均受脱落酸的诱导上调，采用RNA-Seq测序分析了NAC103功能缺失突变体和野生型拟南芥之间的差异表达谱，探讨分析了NAC103在脱落酸调控通路中的下游基因，为充分利用NAC103在逆境胁迫应答中的生物学功能奠定了重要的理论和应用价值。