蛋白激酶基因FvCDPK1通过GA途径调控森林草莓匍匐茎发育的功能研究

Stolons (Runners) consume a large number of nutrients in the growth and development process of strawberry plants, thus affecting the yield and quality of strawberry fruits. It has been demonstrated that gibberellin (GA) plays important roles in the development process of stolons in strawberry species. By interrupting the anabolism of GA，the development of stolons can be effectively inhibited. In the previous studies, we identified and cloned a gene from woodland strawberry, FvCDPK1, which was highly expressed in stolons. FvCDPK1 is the unique conterpart and homologous gene of AtCPK28 in the genome of woodland strawberry. And the function of AtCPK28 has been proved to associated with the synthesis process of GA and the development of stem. According to this, the current study intends to explore the connection between FvCDPK1 gene and GA signaling pathway. By using the molecular biology and genetic engineering technology, we are going to generate the over-expression and depressed-expression of transgenetic lines of woodland strawberry. Through expression analysis, functional complementary of Arabidopsis mutants, phenotyping of transgenic strawberries and measurement of physiological indexes, and associated analysis combined with protein interactions of GA signaling pathway. We expect to explore the connection between FvCDPK1 and GA signaling pathway, and further reveal the function and mechanism of FvCDPK1 in the development process of woodland strawberry.

匍匐茎在草莓生长发育过程中会消耗植物体大量的养分，从而影响草莓果实的产量和品质。研究表明，赤霉素（GA）在草莓匍匐茎发育过程中起重要的调控作用，打断GA的合成途径能够有效抑制匍匐茎的发育。在前期研究中，我们从森林草莓中克隆得到了一个在匍匐茎中显著高表达的基因FvCDPK1，该基因是拟南芥AtCPK28在草莓中的唯一同源基因，并且AtCPK28已经被研究证明与GA的合成调控和茎的发育过程密切相关。本研究拟在此基础上，利用分子生物学技术和基因工程手段，获得过表达和抑制表达FvCDPK1的转基因草莓株系，并结合表达模式分析、拟南芥突变体功能互补、表型鉴定和生理指标测定、互作蛋白鉴定以及GA信号通路关联分析等方法，探索FvCDPK1基因与GA信号通路的关系，解析其在森林草莓匍匐茎发育过程中的功能和作用机制。

赤霉素（GA）在植物发育过程中起重要的调控作用，在前期研究中，我们从森林草莓中克隆得到了一个在匍匐茎中显著高表达的基因FvCDPK1，该基因是拟南芥AtCPK28在草莓中的唯一同源基因，并且AtCPK28已经被研究证明与GA的合成调控和茎的发育过程密切相关。本研究拟在此基础上,探索FvCDPK1基因与GA信号通路的关系，解析其在森林草莓生长发育过程中的功能和作用机制。本研究首先解析了FvCDPK1不同蛋白变体的亚细胞定位模式，表明N端序列决定了FvCDPK1特异性的膜定位。构建了35S启动子驱动的FvCDPK1基因植物表达载体，对森林草莓叶盘愈伤组织进行了遗传转化。经筛选、鉴定获得了过表达FvCDPK1的转基因草莓株系6个；在筛选出的阳性株系中，FvCDPK1基因的表达量均显著高于野生型。在草莓中过表达FvCDPK1基因导致叶柄缩短，从细胞生物学的角度是由于叶柄细胞纵向长度减小所致。激素在植物细胞的生长中起重要的调节作用，在过表达FvCDPK1的转基因森林草莓中，ZT和GA的含量显著降低，而GA是调控细胞纵向生长的关键激素。基因表达量的结果也表明控制GA合成的两个关键基因GA3ox1和GA20ox1的表达量在转基因草莓中显著下调，与GA含量的下调结果相一致。FvCDPK1在拟南芥和烟草中的同源基因AtCPK28和NtCDPK4/5也被报道参与GA信号介导的发育调控这一生命过程中(Matschi et al. 2013, Heinrich et al. 2013)。结合本项目的研究结果和前人的相关研究，可以证明，转基因森林草莓FvCDPK1过表达导致GA合成受阻和含量下降，引起叶柄细胞纵向伸长受到抑制，是导致叶柄缩短表型的主要原因。同时，多种激素含量的变化破坏了细胞内激素稳态，对细胞生长也产生了抑制。. 本项目系统的研究了FvCDPK1基因在森林草莓发育过程中的功能，解析了FvCDPK1通过GA途径调控叶柄缩短的机制，为分子育种工作提供了基因资源和奠定了理论基础。