细胞分裂素受体基因在果实发育中功能的研究

Strawberry has high nutritional and economic values. Improvement of the yield is one of the essential goals of strawberry breeding. Cytokinins (CKs) play a critical role in fruit growth and development. It will be of great advantages for yield improvement to characterize the roles and functional mechanisms of cytokinins in the fruit development of strawberry. Cytokinin receptors are key components of CK perception and signaling. They have both redundant and specific functions in plants. The study on the functions of CK receptors would help us to understand the roles of CKs and CK signaling. To examine the roles of CKs in the fruit growth and development of strawberry, in this project, we will focus on CK receptor genes. We will construct a series of RNAi structures and use them to transform strawberry to silence the cytokinin receptor genes. We will collect receptacle and achenes from wild-type and transgenic plants. We will use microscopic and other techniques to examine changes in fruit growth and development, including cell size and number of the receptacle and achenes at different stages of fruit development. Since CKs likely play a key role in regulating cell division at the early stages of fruit development, we will also determine the expression level and patterns of genes involving in cell division and CK biosynthesis, metabolism and signaling using qRT-PCR, in situ hybridization and RNA-seq approaches. We anticipate that this project will generate new information about possible functions of each cytokinin receptor in the strawberry fruit development.

草莓果实营养丰富，栽植经济效益显著。提高产量是草莓品种培育的核心目标之一。细胞分裂素（CKs）在果实的生长发育过程中具有重要的作用。阐明果实发育过程中CKs的功能及调控机制对提高草莓产量具有重要的意义。CK受体是CKs信号接收和传导的关键。其功能的研究，对揭示CKs功能极为重要。CK受体间存在功能冗余，但各自的主要作用不同。因此，本项目拟分别构建草莓CK受体的单/双、双/三、四基因的RNAi沉默转基因株系，专一地沉默果实中部分或全部受体的功能；获得沉默转基因株系后，选取5个发育阶段，利用显微等技术记录由CK受体沉默引起的花托和瘦果的生长发育变化；利用qRT-PCR、原位杂交和转录组测序检测CKs相关和细胞分裂关键基因的表达模式；考查CKs在转基因株系中的浓度变化；从而初步揭示草莓果实发育过程中，CKs在果实发育中的功能，并为改良草莓果实的性状提供理论基础。

细胞分裂素在植物生长发育过程中具有重要的作用。细胞分裂素受体是细胞分裂素信号接收和传导的关键。本项目通过构建森林草莓细胞分裂素受体基因的转基因干扰株系，发现干扰受体基因FveHK4导致植株果实败育，而干扰其他受体基因植株育性正常。通过野生型花粉授精、花粉活性染色、萌发实验和扫描电镜观察，发现FveHK4-RNAi株系的果实败育是由于花粉不育造成的。通过对花粉四分体时期直至成熟期各发育阶段的石蜡和透视电镜切片观察，发现花粉败育很可能起始于单核花粉期的绒毡层细胞降解推迟。实时定量PCR的结果显示，FveHK4受体基因被干扰后，胼胝质合成基因等花药发育关键基因表达发生变化，从而导致花粉败育。该发现为草莓育苗过程中使用细胞分裂素引起雄性不育的问题提供了可能的解释，并为进一步揭示细胞分裂素引起雄性不育的分子机制打下了基础。细胞分裂素是延缓植物叶片衰老的最重要的激素。而本项目发现，FveHK4-RNAi株系的离体叶片在黑暗条件下的衰老速度明显慢于野生型株系。这一发现与传统理论不一致，为进一步研究细胞分裂素延缓离体叶片衰老的分子机制提供了特殊材料。同时转录组数据显示，FveHK4-RNAi株系叶片衰老的延缓可能和茉莉酸途径的下调有关，说明细胞分裂素和茉莉酸在黑暗条件下离体叶片的衰老过程中，可能具有交互作用，为解析这两种激素在离体叶片衰老中的相互关系打下了基础。此外，本项目分别鉴定得到森林草莓细胞分裂素合成、降解和信号转导基因，分析这些基因在森林草莓、拟南芥等物种中的进化模式，在组织器官中的表达模式以及对干旱、盐等非生物胁迫和脱落酸处理的响应模式，为研究这些基因及细胞分裂素在草莓生长发育及胁迫响应中的作用提供支持。本项目还鉴定得到森林草莓果实成熟过程中最重要的激素脱落酸的合成基因（FveNCED），并发现3个FveNCED基因在草莓果实发育和非生物胁迫响应中分别具有不同的功能，为进一步解析草莓果实的成熟机制打下基础。