毛竹HD-Zip转录因子PeHDZ45响应干旱胁迫的分子机制

Drought can cause severe lose in yield and adversely affect product quality of bamboo seriously. Based on the previous research work, a key functional gene of Phyllostachys edulis, PeHDZ45, was cloned from bamboo, which was shown strongly induced expression under drought and abscisic acid treatments. Overexpression of PeHDZ45 significantly improved tolerance to drought stress in transgenic Arabidopsis thaliana. However, there are few reports about their participation in drought resistance mechanism.In this research, we will carry out overexpression of target genes, obtaining different kinds of transgenic plant. Thus some drought resistant physiological indexes of these transgenic plants will be compared. The transcriptome will analyze between transgenic bamboo mutant and wild type by RNA-Seq. The differentially expressed genes that leaded to the drought resistant phenotype could be predicted by gene functional annotation and bioinformatics. Analysis of molecular mechanism of PeHDZ45 in response to drought stress and mining important functional protein genes are our main purpose. At last, screening for proteins interacted with PeHDZ45 using yeast two-hybrid in Phyllostachys edulis. These results will provide important theoretical significance and application value in revealing the mechanism of HD-Zip involved in drought response and breeding new stress-tolerance varieties of bamboo.

干旱严重影响毛竹的产量和品质。项目组基于前期的研究工作，在毛竹全基因组水平上克隆了一个受干旱和脱落酸强烈诱导表达的HD-Zip家族基因PeHDZ45，并通过过量表达该基因的方式证实了其在拟南芥中的抗旱功能，但其抗旱相关机制不清。本研究拟进一步在水稻中过量表达该基因，分析转基因后代在干旱条件下的表型和生理生化指标，明确其调控毛竹抗旱的生理生化基础；利用转录组测序技术对转基因植株与对照植株的表达差异基因进行鉴定并重点比较不同胁迫信号传导通路相关基因的表达变化，探明PeHDZ45参与的胁迫信号传导通路；利用酵母双杂交技术筛选PeHDZ45的互作蛋白，从而揭示其响应干旱胁迫的分子机制。本研究结果对揭示毛竹同源异型-亮氨酸拉链蛋白基因的抗旱作用机制以及培育抗旱毛竹新种质具有重要的理论意义和实际应用价值。

同源异型-亮氨酸拉链(HD-Zip)蛋白是高等植物特异的一类转录因子，在植物的生长和发育调控过程中起到重要作用。本项目研究通过生物信息学方法对毛竹 HD-Zip家族基因的结构、进化以及表达模式等开展了系统深入的分析，克隆了一个受干旱和脱落酸强烈诱导表达的基因PeHDZ45。亚细胞定位、转录活性和 DNA 结合位点分析，发现 PeHDZ45具有典型的转录因子特征。在水稻中过表达PeHDZ45，并对获得的转基因水稻进行抗逆性鉴定。利用 RNA-seq 分析，得到差异表达基因，并对重要的差异表达基因进行功能分析。获得了如下主要结果：.1.在干旱、盐、脱落酸的胁迫处理下，PeHDZ45基因都有所表达。尤其干旱诱导后表达量上升最显著，在处理后12 h达到最高值100。PeHDZ45基因在毛竹的笋、嫩叶、成熟叶、根和花这几种组织中均有不同量的表达，但在根中的表达水平量最高。.2. 亚细胞定位分析发现，PeHDZ45是一个核蛋白；酵母单杂实验结果发现，PeHDZ45和CAATAATTG反向重复序列结合。.3. 和野生型水稻相比， PeHDZ45过表达转基因水稻在幼苗期和成苗期都表现出较强的抗逆性。PeHDZ4过量表达植株和野生型植株比，含有较高的脯氨酸，但是相对电解质和丙二醛的含量却是低于野生型植株。.4. DBA染色结果显示，干旱处理后，PeHDZ45过表达转基因水稻中的H2O2的积累少于野生型植株的，而PeHDZ45过表达转基因水稻中CAT和SOD的含量要显著高于野生型的。.5. PeHDZ45 过表达转基因水稻和对照比在种子萌发和种苗生长初期都表现出较强的 ABA 敏感性。.6. 对获得转基因水稻进行转录组测序分析，干旱处理下得到 582个上调和1686个下调的差异表达基因。对这 2268个差异表达基因进行 GO 注释分析，32个基因参与植物MAPK信号转导途径和植物功能有关激素信号转导，表明它们可能有助于环境适应。