早春短命植物独行菜下胚轴低温休眠与伸长的分子调控机制

The hypocotyl elongating out from the soil is the most important stage of epigaeous plant growth. Low temperature is the key factors to control the growth of hypocotyl out from the soil. But the mechanism of low temperature inhibiting the growth of hypocotyls lays unclear. Lepidium apetalum has a short life cycle, and it is easy to culture in the laboratory. Its hypocotyl could not elongate under 4℃ and would be in a state of stagnation. Interestingly, the hypocotyl would recovery to elongate under 4℃ after dealing with 25℃ for a short time. So Lepidium apetalum is the ideal material to study on the mechanism of hypocotyl dormancy and elongation for temperature sensitive plant. RNA and protein were analyzed and compared between the seeds of dormancy and dormancy breaking, and differentially expressed genes were obtained. We intend to choose several genes for further study. The expression of the chosen genes will be analyzed by real time PCR in Lepidium. Then, they will be over expressed in Lepidium apetalum for functional analysis. Also, they will be edited with technique of CRISPR/Cas to mutant in Lepidium apetalum for functional analysis. The proteins of transgenic Lepidium apetalum lines will be also analyzed with ITRAQ technique based on LC/MSMS comparing to the wild type lines. Expected Results of the project will contribute to the research of the regulation pathway in temperature sensitive plants.

下胚轴伸长是影响子叶出土植物成苗的关键因素之一，低温显著影响植物下胚轴的伸长，但低温抑制下胚轴伸长的机制不清。独行菜生活周期短，实验室易栽培，其下胚轴存在明显的低温休眠现象，短时间高温处理解除休眠后可在4℃伸长，是研究温敏植物下胚轴休眠与伸长机制的理想材料。前期对独行菜下胚轴低温休眠、解除休眠的种子进行了转录组和蛋白组学分析，筛选出若干显著差异表达基因。本项目拟通过实时定量技术，分析这些差异基因的表达与独行菜下胚轴伸长时期、低温、高温处理间的相关性，选择1-3个密切相关的基因，分别制备其过表达和突变的转基因独行菜材料，验证其是否与独行菜下胚轴低温休眠及伸长有关。并对转基因独行菜与野生型（转空载）进行差异蛋白质组分析，进一步研究这些基因过表达或突变引起的差异表达蛋白，分析其GO功能、pathway作用，以及功能蛋白作用网络，综合阐述独行菜下胚轴低温休眠与伸长的分子调控机制。

下胚轴伸长是影响子叶出土植物成苗的关键因素之一，低温显著影响植物下胚轴的伸长，但低温抑制下胚轴伸长的机制不清。本项目以温敏植物下胚轴休眠与伸长独行菜为材料，对比独行菜下胚轴低温休眠组与解除低温休眠组的种子的转录组及蛋白组，筛选出与独行菜下胚轴伸长耐受低温相关的功能基因若干。锁定了GRAs、HY5、ABC1类转录因子及LEA蛋白家族的编码基因为目标基因。初步阐述了独行菜下胚轴低温休眠与伸长的分子调控机制。 其中获得5条HY5基因，在这5条基因中，3条上调表达，2条下调表达。一个受低温诱导最显著上调表达的成员，编码149个氨基酸残基组成的蛋白，属于bZIP转录因子超家族中的HY5转录因子，对低温胁迫表现出快速响应，表达量与独行菜种子低温萌发过程中下胚轴的伸长密切相关。转化拟南芥LaHY5过表达等实验证明，LaHY5是调节植物下胚轴伸长重要因素，但植物HY5表达量并不一定与下胚轴伸长速度成正比，在低温胁迫时，HY5表达量提高可能是与植物耐受低温有关。独行菜有27条LEA基因，其中有3个基因在解除低温萌发停滞期的种子中上调表达，20个基因下调表达，4个基因表达无显著差异。上调表达的最为显著的成员LaLEA基因，编码208个氨基酸组成的肽链，随着种子发育时间的延长LaLEA表达量呈增长趋势，该基因受低温、盐胁迫、干旱诱导高表达，其在非生物胁迫的调控中起重要作用。独行菜共有 GRAS 家族 270 个成员。其中 138 个成员相对于低温萌发停滞组，在耐受低温萌发的独行菜种子中上调表达， 128 个下调表达， 4 个表达水平无差异。一个极显著上调表达的 GRAS 基因命名为 LaSCL18，编码 435 个氨基酸、具有 GRAS 转录因子家族特有的保守结构域、亲水性较高、是一个水溶性较好的球状蛋白，不具有跨膜区和 DNA 结合位点其在调控相关基因转录时可能不直接与 DNA 序列结合，而是与其它转录因子相互作用后发挥功能。