赤霉素促进木本植物小桐子分枝生长发育的分子机理

Plant branches or tillers determine the plant architecture and its ability to adapt to the environment, and are closely related to seed yield. Phytohormones play a key role in plant branching process, and have been recognized that auxin, cytokinins and strigolactone are the three main phytohormones regulating branching. Gibberellin role, however, has been neglected. But our preliminary research found that gibberellins can effectively promote the growth and development of branches of many woody plants including Jatropha curcas. This project aims to further use transcriptome sequencing methods to compare the gene expression profiles in axillary buds treated with gibberellins and cytokinin, and axillary buds of transgenic Jatropha curcas overexpressing gibberellin biosynthesis gene JcGA20ox and degrading gene JcGA2ox, and identify candidate genes involved in regulation of branching by gibberellins. Temporal and spatial expression patterns and hormone-inducible expression of these genes will be further analyzed. The functions of key genes will be investigated by transgenic overexpression and gene knockout or silencing approches. This study will reveal the molecular mechanism for promotion of branching by gibberellins and interactions of GA with other phytohormones in the woody plant Jatropha curcas. Functional genes obtained in this study will be used for breeding of the high-yield transgenic cultivar of Jatropha curcas.

植物分枝或分蘖的特性决定了其株型结构，也与其适应环境能力和种子产量密切相关。植物激素在调控植物分枝生长发育方面起着关键的作用，长期以来认为生长素、细胞分裂素和独角金内酯是3种主要的分枝调控激素，而赤霉素的作用一直被忽视。但我们前期研究发现赤霉素可以有效促进包括小桐子在内的多种木本植物的分枝生长发育。本项目拟在此基础上，进一步采用转录组测序方法对赤霉素和细胞分裂素处理后的小桐子、超量表达赤霉素合成酶基因JcGA20ox和降解酶基因JcGA2ox的转基因植株及对照的侧生分生组织进行基因表达谱比较分析，筛选鉴定与赤霉素调控分枝相关的候选功能基因。进一步对这些基因的时空表达模式、激素诱导表达特性进行分析，采用转基因超量表达和基因敲除或沉默的方法验证部分关键基因的功能。通过该研究期望阐明赤霉素促进小桐子分枝生长发育及与其它激素相互作用的分子机理，获得相关的功能基因，为培育高产小桐子优良品种奠定基础。

植物分枝的特性决定了其株型结构，也与其适应环境的能力密切相关。对于许多农作物、经济作物和林木果树等植物而言，分枝或分蘖的数量及其生长发育特性直接影响其产量或质量。小桐子是大戟科木本油料植物，其种子含油率高，油脂成分适合用于生物柴油和生物航空燃油的生产，是最具潜力的能源植物之一。但目前小桐子的种子产量较低，难以进行大规模推广种植，需要开展有关小桐子生长发育特性的基础研究，为其遗传改良奠定基础。小桐子的分枝较少是导致其种子产量较低的主要原因之一。长期以来，人们普遍认为植物的分枝特性主要是受生长素、细胞分裂素和独角金内酯3种激素所调控，而赤霉素在植物分枝调控方面的作用一直被忽视。但我们前期研究发现赤霉素可以有效促进包括小桐子在内的多种木本植物的分枝生长发育。为了阐明赤霉素促进小桐子分枝生长发育及与其它激素相互作用的分子机理，本项目对受赤霉素抑制的小桐子JcBRC2基因进行了表达谱分析，发现JcBRC2在小桐子的各个组织部位里都有表达，在叶片中的表达水平最高，根、茎和侧芽中的表达量较低；采用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得敲除突变体jcbrc2，发现小桐子jcbrc2突变体及其后代表现出显著的多分枝表型变化，说明JcBRC2是一个被赤霉素抑制的分枝负调控因子；对多分枝的jcbrc2突变体所做的进一步转录组分析揭示JcBRC2可能通过调控下游的beta-1,3-葡聚糖酶基因（JcBGs）的表达影响分枝的生长发育，同时在发现赤霉素与JcBRC2之间可能存在相互的反馈调控关系。本项目鉴定的负调控分枝的JcBRC2基因及其下游基因JcBGs可作为基因编辑敲低或敲高的靶基因，进一步用于今后的小桐子分子育种研究。同时本项目研究利用前期研究过程中获得的极度早花的成花素JcFT转基因小桐子作为砧木，建立了一种通过嫁接促进小桐子提前开花的方法。研究发现转基因超量表达的JcFT蛋白可以通过嫁接进行运输，接穗在嫁接后1-2个月内开花，JcFT砧木促进接穗开花的效率取决于接穗的长短。采用该方法可极大地促进各类基因编辑和转基因小桐子实验材料以及非转基因小桐子植株提前开花，从而缩短实验周期，提高研究效率。