麻竹AP2/ERF类转录因子BCR1调控低温胁迫响应的分子机理研究

Low temperature is one of the main factors that restrict bamboo growth, development and geographical distribution, also the bottleneck for "South Bamboo Transfer to North” program in China. Classic genetic breeding is not applicable for bamboo due to its long and irregular flowering habit. How to uncover the bamboo cold response pathway, dig out important genes and study their functional mechanisms, and use for genetic breeding is of great theoretical and practical significance. Previously, our group isolated an AP2/ERF transcription factor named BCR1 （Bamboo Cold Response 1）through analyzing RNA-Seq data, which is an early cold-responsive gene in Ma bamboo. Our prelimilary data showed that BCR1 is induced by cold treatment, and overexpression of BCR1 in bamboo leads to the cold tolerant phenotype. This project will systermatically investigate the molecular mechnism of BCR1 in bamboo cold response through a number of platforms we established for bamboo gene function investigation, as well as methods from proteomics, transcriptomics, plant physiology and bio-chemistry. We will try to establish cold-tolerant bamboo that could be potentially used in forestry in the future. Our study will add our knowledge on bamboo cold response and provide new theoretical basis for genetic breeding of bamboo in the future.

低温是影响竹子生长发育与地域分布的主要因子之一，也是限制“南竹北移”工程的主要瓶颈。由于竹类开花的特殊性，很难通过传统的育种方法获得耐冷性提高的新种质资源。如何挖掘重要的功能基因并阐述其作用机理，进而利用基因工程提高竹子的耐寒能力一直是人们关注的问题。本课题组前期通过转录组学分析的方法从麻竹中分离到一个对冷胁迫早期响应的AP2/ERF类转录因子BCR1（Bamboo Cold Response 1），BCR1的表达受冷胁迫的快速诱导，且过量表达BCR1的转基因竹提高了耐冷性。在此基础上本项目拟通过本课题组研发的一系列用于研究竹类功能基因的技术体系，并结合蛋白组学、转录组学、植物生理生化等相关的实验手段系统的研究BRC1参与冷胁迫响应的分子机制。同时，通过基因工程的手段创制具有潜在应用价值的耐寒竹。本项目将增进我们对竹子冷胁迫信号通路的认识，并为将来培育抗逆竹提供基础理论依据和材料储备。

低温等环境胁迫是影响竹子生长发育和地域分布的重要因子。由于竹子开花的特殊性，很难通过传统的育种方法获得抗逆性提高的新种质。如何通过基因工程改良竹种提高其抗逆性一直是人们关注的问题。在分子水平上阐明竹子对低温等逆境胁迫的响应机制，挖掘重要的功能基因，完善和拓展现有的竹子基因操作体系是通过基因工程提高竹子抗逆性的最重要手段。本项目系统的阐释了竹子在受到冷胁迫时在转录水平上早期及晚期基因响应模式，提出了竹子响应冷胁迫的基因调控模型，并对其中的一个重要转录因子BCR1做了进一步的功能研究。BCR1在毛竹原生质体中定位于细胞核，具有转录激活能力，且能够结合胁迫相关的DRE顺式作用元件；BRC1的转录本受到冷、干旱、高盐和ABA等条件的诱导；过量表达BRC1基因能够提高拟南芥、竹子对冷和盐的耐受性；通过RNA-Seq分析表明BCR1的过表达会诱导大量跟非生物胁迫相关的基因；建立了适用于竹子的DAP-Seq实验体系，并通过DAP-Seq实验表明，BCR1蛋白可能直接结合与DRE、GCC等胁迫相关的顺式作用元件，并启动下游胁迫相关基因的表达。根据RNA-seq与DAP-Seq的结果分析，我们筛选并通过EMSA实验证明了BCR1蛋白可直接结合在下游的一个胁迫相关的转录因子bHLH13的启动子区域，诱导其表达，进而促进过量表达植株对胁迫的耐受性。在项目进行过程中，我们为了创制BCR1突变体，也研发了适用于竹子的基因编辑体系。部分研究结果以本项目为第一标注发表在Plant Biotechnology Journal、Tree Physiology、科学通报等杂志，授权国家发明专利1项，培养研究生4名。本项目的实施初步揭示了竹子冷胁迫的信号通路，并创制了具有潜在应用价值的耐逆竹，为将来通过基因工程提高竹子的抗逆性提供理论依据和材料储备；项目实施过程中建立的基因编辑等技术体系也为将来竹子分子生物学及分子育种的发展提供了重要的工具。