ZmAUX1基因调控玉米穗行数形成的遗传网络解析

The ear row number (ERN) is one of key grain-yield components that determine maize grain production. Our previous results showed overexperession of ZmAUX1 gene increases the ear length and reduces the ERN in transgenic maize. Based on these results, we will develop transgenic maize with knock-out of ZmAUX1 by Agrobacterium-mediated transformation. To identify differentially expressed genes (DEGs), RNA-Seq experiments will be performed. The gene expression profile will be compared between two transgenic lines, overexpression and knock-out. The key candidate genes involved in ERN will be screened. To determine their biological function and interaction, we make use of genetics, molecular biology, and biochemistry technologies in combination with bioinformatics approaches. Building on this foundation, this project aims to dissect the genetic network underlying development of ear row number regulated by ZmAUX1 in maize.

穗粒数是决定玉米产量的重要因素之一。我们的前期研究结果表明，玉米ZmAUX1基因的表达调控果穗的长度和穗行数。本项目将在前期研究工作的基础上，以ZmAUX1基因为切入点，创造ZmAUX1基因突变体材料，然后利用高通量测序技术研究差异基因表达谱，发掘玉米穗行数形成过程中的关键因子。最终综合运用遗传学、分子生物学、生物信息学等手段研究关键因子的生物学功能及互作关系，解析ZmAUX1基因调控玉米穗行数形成的遗传网络。

玉米（Zea mays L.）是一种最重要的粮食作物。穗行数和籽粒大小是影响玉米产量的重要因素。生长素是植物体生长发育过程中的一类重要的调节物质。AUX1是生长素运输的重要载体蛋白。我们克隆了玉米ZmAUX1基因。在玉米中过量表达ZmAUX1基因可以影响玉米的生长发育。结果表明，过表达ZmAUX1基因使植株根系更加发达，株高、叶夹角、叶面积等性状有不同程度的改良。.PPR蛋白（pentatricopeptide repeat proteins）是一种特异识别RNA编辑位点的RNA识别因子，它可以在线粒体或质体中mRNA的某些特异位点完成由C到U的转变。我们发现一个种子缺陷的玉米突变体dek2015-ref，该突变体由于发育缺陷而导致种子致死的表型。形态学和解剖学分析发现该突变体的胚胎和胚乳均明显受损，胚胎发育滞留在L2时期。研究发现DEK2015基因编码一个定位于线粒体的E+亚家族PPR蛋白。通过对线粒体基因mRNA分析发现DEK2015蛋白功能丧失而导致cox3-314、nad2-26和nad5-1916位点由C到U的RNA编辑缺失，在nad5-1901位置编辑效率增加。进一步分析显示在突变体中线粒体复合体I和IV的活性明显下降，复合体II和III的活性明显增强。转录组分析显示大量差异表达的基因与线粒体功能活性、蛋白储存、淀粉合成、谷胱甘肽S转移酶相关。而且突变体中交替氧化酶基因的表达水平明显高于野生型，线粒体超微结构发生改变。DKE2015蛋白功能丧失导致活性氧水平提高，突变体胚乳中的程序化细胞死亡提前。这些结果证明DEK2015蛋白作为一个PPR蛋白，参与多个线粒体基因的RNA编辑，是线粒体功能和种子发育所必须的。