干旱胁迫下高羊茅分蘖发育调控的分子机理研究

Tillering is one of the important characters of turfgrass and plays key roles in turf establishment rate and turf quality. Drought stress is a major factor that affects turf quality and turf maintenance and suppresses tiller formation. To our best knowledge, published research reports either focus on plant drought-tolerant or plant tiller development mechanism, very few has concerned the molecular mechanism regulating tillering development under drought stress. This project aims to investigate the molecular mechanism of tillering under drought stress in bunch-type turfgrass Festuca arundinacea. Drought-tolerant cultivar “Bonsai” with more tillers and drought-sensitive cultivar “Kentucky-31” with few tillers are screened out in previous work. High-throughput transcriptome sequencing would be performed on leaf, axillary bud and tillering node which collected from control and dehydration plants. Key factors controlling tiller formation during drought stress were then digged out and subjected to further functional analysis. Such information was important for identifying valuable genes and for developing drought-tolerant turfgrass cultivars with high quality and high establishment rate under drought stress.

分蘖是草坪草的重要发育特征，直接关系到草坪草的成坪速度和成坪质量。干旱是影响草坪建成和养护成本的主要环境因素，干旱胁迫抑制分蘖形成。但是干旱胁迫如何抑制分蘖发育，其分子机理尚不清楚。申请人在前期工作中，筛选到两个在干旱胁迫条件下分蘖特点完全不同的高羊茅品种，而且发现干旱胁迫能够调控分蘖发育关键基因的表达。本项目在前期研究基础上，对经过干旱处理的植株及正常浇水的植株的叶片、腋芽及分蘖节进行高通量转录组测序，通过生物信息学分析，系统挖掘干旱胁迫条件下控制高羊茅分蘖发育的调控因子，并分析其调控网络；随后基于测序片段，克隆基因全长及启动子，采用荧光定量技术确定其表达模式；利用过表达及RNA干扰（RNAi）技术获得目标基因的转基因植株以进行功能验证，探讨干旱胁迫条件下分蘖发育调控的分子机理，从而为培育形态适宜、抗性优良的草坪草新品种提供理论基础和基因资源。

分蘖极大影响禾本科草坪草的密度、成坪速度及受到逆境损伤后的恢复能力。单子叶植物分蘖从母株基部的分蘖节产生，其发育过程包括分蘖芽的起始和分蘖芽的伸长。已有研究表明，分蘖发育对于水分胁迫非常敏感，然而其分子机理缺乏研究。本研究首先通过连续观察及测量萌发天数、叶片数、分蘖芽及分蘖数等指标，将高羊茅分蘖发育过程划分为4个时期。对处于时期I及时期III的高羊茅植株进行20% PEG6000模拟干旱处理，统计植株高度、分蘖芽数、分蘖芽长度及分蘖数目。结果表明干旱抑制分蘖芽的起始及分蘖芽的伸长两个过程，且分蘖芽伸长对干旱胁迫更为敏感。随后，我们对两个分蘖及株高有显著差异的高羊茅品种进行转录组测序获得参考转录组，再对两个品种的分蘖节进行转录表达谱测序，获得与两个品种表型差异可能有关联的差异表达基因。同时，也对干旱胁迫和正常浇水植株的分蘖节进行转录表达谱测序，通过GO、KEGG等分析，发现干旱下分蘖节有别于叶片及根系的富集途径。脱落酸及生长素对干旱抑制分蘖发育至关重要。另外还得到了很多干旱抑制分蘖发育的候选因子，如独脚金内酯素（SL）信号转导基因，玉米Teosinte Branched1（TB1）下游因子Grassy Tillers(GT1)的同源基因等，为进一步解析干旱抑制分蘖发育的分子机理提供了基础。随后我们克隆了分蘖关键因子FaTB1,分析了其表达模式，通过农杆菌介导的遗传转化方法获得了过量表达植株，均表现为分蘖减少，分蘖芽起始不变的表型。进一步分析暗示FaTB1可能通过FaHOX12及脱落酸来参与干旱抑制分蘖发育，这三者间关系还需后续实验证明。同时，我们也对转录组筛选到的SL信号转导途径基因FaMAX2进行了克隆及部分的基因功能研究。本项目的实施，丰富了高羊茅序列序列，初步解释了干旱抑制分蘖发育的分子机理，为后续关键基因功能解析、转基因分子育种及草坪养护管理提供了理论依据。