高羊茅地下茎形成及其抗旱和旱后恢复的分子机制

Tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) is a cool-season perennial turfgrass with the strongest heat tolerance and cold resistance, but has less drought tolerance. The rhizomes of turfgrass are the important organs which storage carbohydrates and water, and play crucial roles during drought tolerance and post-drought recovery. Therefore, it have important theoretical significance and application prospects for understanding the molecular mechanisms of drought tolerance and post-drought recovery associated with the rhizomatous formation and breeding new cultivars with rhizomes. The study of applicant has indicated that the numbers of rhizomes were increased by treatment with cytokinin and the length of them was promoted after gibberellic acid treatment in tall fescue. However, it is still unknown that genes functions and the regulation mechanisms. The objective of the present work was to ① discover the whole genome and proteome regulation network and screen the candidate genes and proteins involved in hormones signal pathway though the high throughput isobaric tags for relative and absolute quantitation (iTRAQ) and transcriptome depth sequencing technologies, ② obtain the transgenic rhizomatous tall fescues with over-expressing candidate genes, ③ illustrate the molecular mechanisms of drought tolerance and post-drought recovery associated with the rhizomatous formation. At last, this project will provide the genetic resource and theoretical basis for breeding new lower maintenance and higher resistance varieties of tall fescue.

高羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）是耐热性和抗冷性最强的多年生冷季型草坪草，但是其抗旱能力较弱。地下茎是储存碳水化合物和水分的重要器官，在抗旱和旱后恢复过程中发挥重要作用。因此，研究地下茎形成及其抗旱和旱后恢复的分子机制，培育根茎型高羊茅新品种具有重要理论意义和应用前景。申请人前期研究发现细胞分裂素促进高羊茅地下茎数目增加，赤霉素促进地下茎伸长，但是与之相关的基因功能和抗旱机理并不清楚。本课题拟通过①高通量iTRAQ技术和de novo 转录组测序技术从蛋白质组学和转录组学层面，探讨激素调控地下茎发育的网络机制，筛选重要调控基因和蛋白；②过量表达候选基因，获得优质根茎型高羊茅新种质；③深入研究地下茎形成在抗旱和旱后恢复作用中的调控机理。为培育抗逆和低养护高羊茅新品种提供重要基因资源和理论依据。

高羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）是耐热性和抗冷性最强的多年生冷季型草坪草.，但是其抗旱能力较弱。地下茎是储存碳水化合物和水分的重要器官，在抗旱和旱后恢复过程中发挥重要作用。本研究主要内容包括：①高通量iTRAQ技术和de novo 转录组测序技术从蛋白质组学和转录组学层面，探讨激素调控地下茎发育的网络机制，筛选重要调控基因和蛋白；②过量表达候选基因，获得优质根茎型高羊茅新种质。目前主要结果有：① 通过干旱处理，获得了差异显著的高羊茅地下茎和crown组织（地下茎生长部位）实验材料；②通过转录组学系统分析，获得了140542转录本，平均长度是734bp。利用KEGG进行功能分析，获得了激素信号通路基因在地下茎形成期crown部位，复水再生期crown部位和地下茎伸长期地下茎部位都有显著富集。此外，和糖代谢途径相关基因在地下茎形成期的crown部位显著富集，和脂质代谢途径相关的基因在地下茎复水期的crown部位显著富集，和抗氧化物途径，光合作用途径以及核糖体组成相关基因在地下茎部位显著富集；③ 通过高通量iTRAQ技术，基于P<0.05,Fold change<±1.5水平，Crown部位干旱7天和对照7天相比，一共检测到45个差异蛋白点；Crown部位复水10天后和对照17天相比，一共检测到23个差异蛋白点；Crown部位对照17天和对照7天相比，一共检测到69个差异蛋白点；地下茎干旱7天和对照7天相比，一共检测到254个差异蛋白点。主要功能涉及：Carbohydrate metabolism，lipid metabolism，Amino acid metabolism，Secondary metabolism和Stress response调控通路；部分蛋白点在基因表达水平差异显著；④ 测定不同处理条件下内源激素含量，可溶性糖含量和抗氧化物含量等生理指标；⑤获得了部分重要的转录因子，例如，NAC家族、OFP家族、WRKY家族、AP2-EREBP家族、ARF家族和LOB家族基因等，通过转基因技术，已经获得了过表达LOB基因（CL14342.Contig1_All）的高羊茅转基因材料，后续地下茎功能验证和生理生化等实验正在进行之中。本研究为培育抗逆和低养护高羊茅新品种提供重要基因资源和理论依据。