番茄茎尖分生组织成熟决定开花时间和花序结构的分子机制研究

Inflorescences originate from stem cells which are in shoot apical meristem (SAM). Meristem maturation is a precisely regulated programmatic process, during which the stem cell fate switches from vegetative to reproductive growth. Differences of meristem maturation determine the quantity and configuration of branches and flowers within inflorescence, which is a determinative factor of successful reproduction in plants and yield in agriculture. Achieving ideal inflorescence architecture is essential for fruit crops. ALOG family contains 12 members in tomato, in addition to TMF, we obtained the mutants of other genes which are highly expressed in SAM by CRISPR/Cas9 gene editing technology, and generated different double, triple, quadruple, quintuple mutants by crossing. Compared with WT, mutants have advanced flowering time and simple inflorescence architecture, suggesting that ALOG family members play important roles in regulating flowering and inflorescence architecture of tomato. In this project, we will use tomato as a research model, based on the gradual maturation of SAM to determine the inflorescence architecture and flowering time, using traditional strategies such as molecular genetics, biochemistry, cell biology, combined with transcriptomics of specific tissue microdissection and DAP-seq to identify the molecular regulatory network that regulates the inflorescence architecture and flowering in tomato.

植物干细胞组成的茎尖分生组织(Shoot Apical Meristem，SAM)的成熟很大程度上决定植物丰富多样的花序结构。番茄 SAM 的成熟是一个被精准调控的程序化过程，决定番茄的开花时间和花序结构，进而决定果实的收获时间和产量，所以获得理想花序结构对收获果实的蔬菜作物产量至关重要。番茄ALOG 家族一共12个成员，我们通过CRISPR/Cas9技术获得ALOG家族其它在SAM高表达基因的缺失突变体，并通过杂交获得不同组合的多突变体，这些突变体的开花时间提前，花序结构简单化，说明ALOG家族成员在调控番茄开花时间和花序结构中具有重要作用。本项目将根据SAM成熟的程序化过程决定花序结构和开花时间的原理，运用分子遗传学、生物化学、细胞生物学等传统策略，结合特异组织显微切割转录组学和顺式调控元件鉴定组学(DAP-seq)等新兴技术，解析番茄花序结构和开花的分子调控网络。

植物干细胞组成的茎尖分生组织(Shoot Apical Meristem，SAM)的成熟很大程度上决定植物丰富多样的花序结构。番茄 SAM 的成熟是一个被精准调控的程序化过程，决定番茄的开花时间和花序结构，进而决定果实的收获时间和产量，所以获得理想花序结构对收获果实的蔬菜作物产量至关重要。基因组复制过程中的启动子和编码区变异，通常会产生基因表达的时空和蛋白功能出现差异的家族成员，这些成员可能保持原本功能，也可能出现新功能，分工协作保证植物在遭遇遗传突变和环境改变下维持稳健发育，但家族成员实现如何实现协同作用和合理分工的分子机制并不清楚。本项目根据SAM成熟的程序化过程决定花序结构和开花时间的原理，以番茄为研究对象，运用分子遗传学、生物化学、细胞生物学、基因编辑等方法和技术，解析了ALOG家族成员TMF，TFAM1，TFAM2，TFAM3通过蛋白质相分离和蛋白相互作用形成以TMF为核心的转录凝聚体，靶向下游成花基因AN抑制其过早表达，精确控制番茄SAM程序化成熟过程，从而调控番茄花序结构和开花的分子机制。首次在作物中发现了蛋白质相分离现象，揭示了转录因子家族成员通过蛋白质相分离实现家族分工和转录协同的全新机制。丰富了茎尖分生组织成熟程序化调控的分子机理，有助于解析直接决定番茄产量的花序结构和开花时间的调控机理，为番茄品种改良提供了新的分子模块和研究思路。