木薯褪黑素的合成代谢调控及介导的抗病反应的分子机制

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is a tryptophan-derived indole molecule that is very important in animals. Melatonin involved in antioxidative activity through its interaction with reactive oxygen species, sleep physiology, senescence, innate and special immunity, etc. Compared with the melatonin synthesis and signal transduction pathway in animals, the related research in plants is just started. However, there are a lot of questions remain clear. For example, how the endogenous melatonin level is strictly regulated in plants? What are the main or the rate limiting steps in melatonin synthesis? How melatonin regulates plant stress resistance and what is the underlying mechanism? Based on the above issues in cassava, we will focus on melatonin synthesis genes in cassava. Through screening the interacting proteins and upstream transcription factors of melatonin synthesis genes, we will investigate these genes-formed protein complex-mediated defense responses to cassava bacterial blight. Because melatonin and auxin synthesis shared the same precursor-tryptophan, and they are involved in plant immune response, we will discuss the effect of melatonin biosynthesis genes on auxin content. We will also reveal the molecular mechanism of these genes-formed protein complex involved the crosstalk between auxin and melatonin signalings and mediated plant biotic and abiotic stress responses, from the aspects of protein interaction and phytohormone crosstalk. Based on above studies, we will solve the related scientific questions, and explore the possible application of melatonin as well as melatonin synthesis genes in cassava molecular breeding of disease resistance.

褪黑素在动物中是一种重要的吲哚胺类激素，具有调节活性氧、促进睡眠、抗衰老、调节免疫等多项生理功能。相对于动物中褪黑素合成分解及信号途径研究得很清楚，植物里的相关研究则刚刚起步，还有很多问题不清楚。比如植物褪黑素水平如何受到严密的调控？褪黑素合成代谢中有哪些主要或限速步骤？褪黑素如何调控植物抗病反应的分子机制？等等。申请人将围绕以上问题，以木薯为研究对象，以褪黑素合成基因为着眼点，通过筛选并验证互作蛋白和上游转录因子，系统分析其所形成的蛋白复合体及调节的抗细菌性枯萎病反应。由于褪黑素和生长素的合成共用相同的前体-色氨酸，且褪黑素与生长素均调节植物抗病反应，我们还将探讨褪黑素合成基因对生长素含量的影响，从蛋白互作及激素互作等方面阐明这些基因介导生长素与褪黑素信号互作调控植物抗病反应的分子机理，构建新遗传网络。通过以上研究，既解决相关科学问题，又探索褪黑素及其合成基因在木薯抗病分子育种中的应用。

褪黑素在动物中是一种重要的吲哚胺类激素，具有调节活性氧、促进睡眠、抗衰老、调节免疫等多项生理功能。然而植物里的相关研究则刚刚起步，还有很多问题不清楚。比如植物褪黑素水平如何受到严密的调控？褪黑素合 成代谢中有哪些主要或限速步骤？褪黑素如何调控植物抗病反应的分子机制？等等。本项目围绕以上问题，以木薯为研究对象，以褪黑素合成基因为着眼点，通过筛选并验证互作蛋白和 上游转录因子，系统分析其所形成的蛋白复合体及调节的抗细菌性枯萎病反应。通过本项目的研究，分离鉴定了木薯褪黑素合成途径的色氨酸脱羧酶（MeTDC1/2）、色氨酸-5-羟化酶（MeT5H）、N-乙酰基转移酶（MeSNAT）和N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶（MeASMT1/2/3），揭示了关键酶（MeTDC2、MeASMT2/3）的互作蛋白（MeWRKY20/75和MeATG8b/c/e）和上游转录因子（MeASMT2的上游MeWRKY79和MeHsf20，MeTDC2、MeT5H、MeASMT1的上游MeRAV1/2）。MeWRKY79、MeHsf20和MeRAV1/2通过直接激活褪黑素的合成参与调节木薯对细菌性枯萎病的抗性。褪黑素合成酶与MeWRKY20/75互作调节其对下游靶基因的转录激活活性和褪黑素合成；MeATG8b/c/e与褪黑素合成酶互作调节其蛋白稳定性、褪黑素合成和自噬活性，进而介导褪黑素与自噬；褪黑素合成酶还与抗坏血酸过氧化物酶MeAPX2互作调节其酶活性和抗氧化能力。因此，褪黑素合成酶既调节褪黑素合成，又参与抗病信号转导及褪黑素与细胞自噬和抗氧化信号的交叉互作。上述结果拓展了木薯褪黑素参与植物抗病反应中的新机制，从而扩展我们对植物褪黑激素信号传导和植物抗病反应中褪黑素复杂调控的认识。项目发表高水平论文7篇（第一标注5篇，第二标注2篇），培养研究生6名（博士研究生2名，硕士研究生4名）。