乙烯响应转录因子CmRAP2-12提高菊花水淹胁迫低氧耐受性的调节机理解析

Hypoxic stress is one of the major abiotic stresses when the plants suffer waterlogging and are in hydroponic cultivation patterns. Moreover, transcription factor RAP2-12 is an important new member of the ERF family, as a key regulatory factor involved in flooding stress and hypoxia response. In this study, modern molecular biology and genetic engineering techniques were used to elucidate the physiological and molecular mechanism of transcription factor CmRAP2-12 in response to hypoxic stress caused by flooding and to explore the transcription factor RAP2-12 participating in N-end rule pathway involved in hypoxic reaction way in what adjustment methods activate other response to hypoxia response related genes expression. It is of great significance to analyze the function of transcription factor RAP2-12 perceiving environment signal of oxygen molecules and to further reveal the role of Chrysanthemum transcription factor CmRAP2-12 on increasing the hypoxia tolerance of water stress adjustment mechanism. This study will provide important theoretical basis and technical support for improving the hypoxia tolerance of chrysanthemum suffering waterlogging and are in hydroponic cultivation patterns.

低氧胁迫是植物在涝害环境以及在水培栽培模式下遭受的重要非生物胁迫之一。转录因子RAP2-12是乙烯响应因子（Ethylene Response Factor，ERF）家族中的重要新成员，作为关键调节因子参与了水淹胁迫和低氧反应。本研究利用现代分子生物学与基因工程技术进行菊花转录因子CmRAP2-12响应水淹低氧胁迫反应的生理与分子机制研究，探索转录因子RAP2-12在低氧反应中参与N端原则途径以何种调节方式激活其它响应低氧反应相关基因的表达，阐明转录因子RAP2-12感知环境中氧分子的感应机制，对进一步揭示并解析菊花转录因子CmRAP2-12提高水淹胁迫低氧耐受性的调节机理具有重要意义，为提高菊花在遭受涝渍胁迫以及水培栽培模式下的水淹低氧耐受性提供重要的理论依据和技术支持。

RAP2-12(RELATED TO AP2-12)是乙烯响应因子的转录因子，在富氧环境中会导致RAP2-12的降解，低氧环境中（如植物在遭受淹水胁迫时）RAP2-12将从细胞膜中释放，诱导响应低氧胁迫相关基因的表达，提高乙醇发酵途径中相关酶的活性，增加水淹受灾植物的成活率。本研究通过RT-PCR与RACE技术从菊花(Chrysanthemum morifolium)品种‘神马’根系中克隆了菊花乙烯转录因子CmRAP2-12基因全长及乙醇发酵途径关键酶基因CmADH1和CmPDC1的cDNA序列片段，并运用Real-time RT-PCR技术分析了CmRAP2-12、CmADH1与CmPDC1 基因的表达模式。本研究得到的CmRAP2-12、CmADH1与CmPDC1的cDNA序列分别为1335 bp、924bp和863bp；其中CmRAP2-12保守氨基酸的N末端含有一个具有Ⅶ ERFs 亚家族特征的氨基酸序列，且聚类到RAP2-12亚家族一类，并预测亚细胞定位在细胞核中。Real-time RT-PCR分析表明，在菊花经过0～72h的淹水胁迫后，CmRAP2-12、CmADH1与CmPDC1基因在菊花根系中的表达量均呈现一个先升高后降低的趋势，并分别在处理后48h、24h、24h达到最高值，淹水胁迫提高了菊花根系乙烯响应转录因子RAP2-12的表达水平，同时受低氧反应的影响，激活了乙醇发酵途径关键酶CmADH1、CmPDC1基因表达水平的大幅提高。在过量表达CmRAP2-12的拟南芥植株中，淹水胁迫后AtRAP2-12、AtADH1和AtPDC1基因的表达水平也发生了先急剧上升再大幅下调的现象，在淹水胁迫24h时出现了最大值。有趣的是淹水胁迫后过表达植株未出现成活率下降的现象，而出现了过早抽薹，生殖生长提前的表型特征。本研究将为进一步研究RAP2-12对提高菊花水淹低氧耐受性的调节机理与分子响应机制奠定理论基础。