细胞分裂素调控大戟科植物性别决定的分子机理

For survive and promoting genetic diversity, some plants have evolved unisexual flower to avoid inbreeding depression in the process of evolution. However, the mechanism of sex determination for unisexual flower was uncovered in few species, because of its complex and diverse nature. In recent years, hormonal regulation of sex determination has been applied to the study of mechanism for sex determination in unisexual flower plants. However, the sex regulation by hormone varies among species. Previous studies shown that Cytokinin (CK) promotes feminization in Euphorbiaceous plants, Jatropha curcas, Plukenetia volubilis and Mercurialis annua, while affects stamen development at the same time. This project will further confirm the CK-regulation of sex determination of Euphorbiaceous plants in Manihot esculenta and Ricinus communis at the beginning. Secondly, based on the common phenotypic of feminization in Jatropha curcas, Plukenetia volubilis, Manihot esculenta and Ricinus communis after treatment with CK, and the transgenic Jatropha curcas plant obtained with high levels of endogenous CK, sequencing technology and R language analysis package WGCNA were used to screen CK-regulated genes that related to sex determination in four Euphorbiaceous plants. 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 silencing approaches. This study will reveal the molecular mechanism for CK regulation for sex determination of unisexual flower in Euphorbiaceous plants.

植物进化的过程中，为避免发生自交衰退一些植物通过形成单性花以保证物种延续和遗传多样性。然而由于其复杂且多样化的特性，单性花性别决定机制得到解析的物种很少。近年来，激素调控单性花性别被运用到性别决定机制的研究中。但不同激素的性别调控物种间差异很大。前期研究发现细胞分裂素（Cytokinin，CK）促进大戟科小桐子，星油藤和法国山靛雌性化，同时影响雄蕊的发育。本项目拟在此基础上首先在大戟科木薯和蓖麻中进一步确认CK促进大戟科植物雌性化的普适性。其次利用CK处理小桐子，星油藤，木薯和蓖麻产生的及已获得的内源CK含量高的转基因小桐子的相同的雌性化表型，采用测序技术，结合R语言分析包WGCNA筛选四种植物中都受CK调控的、与性别决定相关的功能基因。分析这些基因的时空表达模式和诱导表达特性，采用转基因超量表达和基因沉默的方法验证关键基因的功能。通过该研究期望阐明CK调控大戟科植物花性别决定的分子机理。

植物进化的过程中，为避免发生自交衰退一些植物通过形成单性花以保证物种延续和遗传多样性。然而由于其复杂且多样化的特性，单性花性别决定机制得到解析的物种很少。近年来，激素调控单性花性别被运用到性别决定机制的研究中。但不同激素的性别调控物种间差异很大。前期研究发现细胞分裂素（Cytokinin, CK）促进大戟科小桐子，星油藤和法国山靛雌性化，同时影响雄蕊的发育。本项目在此基础上首先在大戟科木薯和蓖麻中进一步确认CK促进大戟科植物雌性化的普适性。其次利用CK处理是大戟科植物产生相同的雌性化表型，采用测序技术，结合R语言分析包WGCNA筛选受CK调控的、与性别决定相关的功能基因，并验证关键基因的功能。通过该研究阐明CK调控大戟科植物花性别决定的分子机理。研究结果表明CK在大戟科植物花发育的早期可诱导产生正常的雌蕊，且雌蕊发生的数量与CK的浓度呈正相关；在TCSnpro:GFP转基因拟南芥中（绿色荧光代表CK），绿色荧光的位置和亮度与雌蕊的发生相关，该结果将细胞分裂素调控雌蕊发育扩展到了大戟科植物以外的植物中。通过WGCNA分析CK处理前后的转录组数据以及基因表达模式，筛选到可能受细胞分裂素调控参与雌蕊发育的miR6445/NTL9模块基因；采用雌花特异性表达启动子JcTM6超量表达CK合成酶基因IPT，获得两种转基因株系：雄花两性花株系和两性花株系。两性花的数量与IPT的表达量成正比，IPT高表达株系的花序上全部是两性花。. 通过项目的执行，我们获得了2个小桐子转基因株系L6和L16，其中L6为全两性花植株，L16为雄花两性花植株。这两个转基因株系的花性别表型均显著异于野生型（野生型植株雌雄同株异花，雌花比例为3%-7%）。基于本项目相关的研究结果，已发表SCI论文4篇。本项目培养了2名博士研究生和2名硕士研究生。在项目执行期间，项目负责人潘帮珍和主要参与人付乾堂晋升为副研究员一级，此外，潘帮珍入选 “2020年云南省高层次人才培养支持计划青年拔尖人才”。