草莓果实发育过程中生长素合成和转运的时空调控机制

Similar to apple and pear, the edible flesh of strawberry fruit is derived from the receptacle rather than ovary, named false fruit. Auxin has fundamental roles in fruit development, but we don’t know where and when auxin is exactly synthesized and how it is transported in false fruit. On the basis of previous elaborate fruit transcriptome analysis in diploid strawberry, this project will carefully dissect the spatiotemporal expression of auxin biosynthetic gene TAAs and YUCs and transport gene PINs in the achene and receptacle of strawberry by qRT-PCR, promoter activity analysis and RNA in situ hybridization; combined with the activity of auxin responsive promoter DR5 and the polar distribution of PIN proteins in the plasma membrane, predict the tissues or cell types producing auxin and the transport path of auxin from the sources to the pericarp and receptacle, respectively; screen for transcription factors regulating the auxin biosynthesis by yeast-one-hybrid. The results will help to uncover the spatiotemparol regulation mechanisms of auxin biosynthesis and transport in the development of false fruit, providing theoretical foundations for genetic improvement of fruit crops.

与苹果、梨等类似，草莓果实主要由花托而非子房发育而成，属于假果。生长素在果实发育过程中起着至关重要的作用，但我们对在假果实发育过程中生长素的合成起源与转运的时空调控机制还知之甚少。在前期二倍体草莓果实发育精细转录组分析基础上，通过qRT-PCR、启动子活性分析和RNA原位杂交等手段，本项目将详细解析生长素合成酶TAA和YUC家族及转运蛋白PIN家族在草莓果实中的表达部位和表达水平；结合生长素响应启动子DR5的转录活性和PIN蛋白在细胞膜上的极性分布，探察生长素的合成部位以及从合成部位转运到果皮和花托的运输路线和与发育时期的关系；通过酵母单杂交筛选调控生长素合成的转录因子。这些结果将有助于揭示假果类果实发育过程中生长素合成和转运的时空调控机制，为果树作物的遗传改良提供理论基础。

生长素在果实发育过程中起着至关重要的作用。草莓果实发育非常独特，其果肉由花托发育而成，而非子房壁；真正的种子附着于花托表面，调控花托膨大和成熟。因此，草莓果实是研究生长素调控果实发育机制的理想材料。针对果实发育过程中生长素的合成部位和转运问题，我们通过生长素响应启动子DR5pro::GUS草莓转基因材料的组织染色实验，确定了瘦果、花托和根中生长素的积累部位和动态变化。我们分析了前期森林草莓果实发育转录组中生长素合成酶YUCCA和TAA家族的表达模式，挑选了4个YUCCA和2个TAA编码基因构建启动子驱动的GUS表达载体，并稳定转化到森林草莓中。GUS染色实验表明这些基因在种子和根中表达模式各异，如FveYUC5在合点端胚乳中特异高表达；总体来说，胚乳是种子中生长素的主要合成部位。进一步，我们采用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术敲除在种子中表达丰度最高的生长素合成酶基因FveYUC10，最终获得了编辑成功的转基因材料，但这些突变体除了在果实中积累较少的生长素外，并无显著的形态学表型，说明该基因与其它家族成员具有较强的功能冗余性。出乎意料的是，我们在森林草莓EMS诱变群体中找到了两个FveYUC4功能缺失的突变体，均呈现出叶细长、叶边缘缺刻加深、花瓣出现缺刻、果实变小的表型，说明FveYUC4在植株发育中发挥了重要作用。本项目揭示了草莓果实发育过程中，生长素主要在胚乳中合成，然后通过维管组织运输到花托中促进其膨大，具有较强的理论价值；找到了具有重要调控作用的生长素合成酶FveYUC4基因；建立了草莓中CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，为草莓遗传改良提供了技术支持。