悬铃木花发育相关基因的启动子的克隆及其表达调控解析

Gene expression regulation is one of hot spots in the field of plant molecular biology, and promoters play an important role in this process. Platanus acerifolia is a monoecious tree species that is frequently used as an important landscape tree in the great majority of temperate and subtropical regions in China and all over the world. According to the trend of research on gene expression regulation in plants, and aimed at the pollution problem caused by pollen and seed hairs released from the tree, promoters of the key genes involved in ?oral development in P. acerifolia will be cloned in this program. Their essential function and the regulatory mechanism to the downstream gene will be illustrated through promoter deletion analysis and transgenic study. Based on the results, the suitable promoter fragments will be used to construct the promoter-BARNASE fusion plasmids. The constructed tissue-specific ablation vectors may be used to block the normal reproductive growth (destroy the stamen/pistil or even the differentiation of male and female inflorescence) of P. acerifolia by transgenic technology. The potential sterile lines (without pollen and seed hairs) may be obtained in the future. This study will further interpret the molecular mechanism of floral development of P. acerifolia and add new evidence to the mechanism of flowering in woody plants and monoecious species. Further more, a new strategy for molecular breeding of P. acerifolia will be developed with the hope of obtaining sterile lines, which could be radically resolve the pollution problem caused by this species.

植物基因的表达调控是当前分子生物学研究的热点之一，而启动子在植物基因的表达调控过程中起着重要作用。悬铃木为雌雄异花木本植物，也是我国及全球暖温带地区广泛应用的重要园林绿化树种。本项目根据当前植物基因表达调控研究的发展趋势，同时针对悬铃木的落粉飞毛问题，拟克隆悬铃木花发育相关核心基因的启动子，并通过启动子删减实验结合转基因研究，阐明各启动子的基本功能及其作用于下游基因表达的调控机制。随后以此为依据，筛选最适宜的启动子区段携带BARNASE等毒性基因构建成组织特异性消融载体，为后续通过转基因技术改良悬铃木的生殖性状（破坏其雌雄蕊乃至整个花芽的分化），获得不育（无花粉无果毛）株系打下基础。项目的实施将从理论上进一步阐释悬铃木开花调节的分子机制，为木本植物及雌雄同株异花植物的成花机理提供新的证据。同时开发了一类悬铃木分子育种的新策略，可望获得不育的悬铃木新品系，从根本上解决其落粉飞毛问题。

悬铃木为我国及全球暖温带地区广泛应用的重要园林绿化树种，但是其“落粉飞毛”的问题严重影响了该树种的应用价值。而启动子策略应用于植物的败育研究已经在拟南芥，烟草，杨树，垂枝桦等多个物种中取得了成功，因此本项目的研究对象为悬铃木中与花发育相关的核心基因的启动子，针对其调控的有效转录部位及转录效率进行系统研究，并通过构建组织特异性消融载体，转化模式植物烟草进行败育研究，为该类载体今后应用于悬铃木的育性改良提出可行性分析。.在项目实施过程中，课题组成功克隆了PlacLFY、PlacFUL、PlacSEP1、PlacSEP3、PaPI、PaAP3等与开花调控相关的核心基因的启动子片段，并针对其表达调控的组织特异性及转录效率进行了系统研究。结果证实，PaPI与PaAP3的启动子片段具有较好的转录特异性，通过启动子删减试验，筛选并证实pPaPI-5与pPaAP3-6片段能够驱动报告基因在花器官中特异高效表达。随后通过构建融合Barnase毒性基因的表达载体，并转化模式植物烟草进一步证实，这两个启动子载体可以应用于植物的败育研究，具有明显的应用价值。.而通过启动子删减试验及GUS活性检测，尽管PlacLFY、PlacFUL、PlacSEP1、PlacSEP3等基因的启动子片段并不具有花序或花器官特异转录的特性，但是却在生殖器官中表现出高效表达的特性，同时该类基因的启动子都有成功应用于植物败育研究的报道，因此项目组在融合表达载体中同时引入了由弱35S启动子驱动的解毒基因Barstar，并在此基础上对这些启动子片段载体进行了败育研究。结果证实，pPlacLFY::Barnase-mi35S-Barstar载体有望应用于悬铃木的败育育种，具有一定的应用价值，而其他三个启动子败育载体转入烟草以后，均会对转基因株系的营养生长产生较大的伤害，从应用性的角度分析，并不适合于悬铃木的败育育种。.总体而言，本项目的实施按计划执行，未对研究内容作大的调整。且项目成果从理论上进一步阐释了悬铃木开花调节的分子机制，为木本植物的成花机理提供了新的分子证据。同时项目组最终获得了pPaPI::BARNASE、pPaAP3::BARNASE和pPlacLFY::Barnase-mi35S-Barstar等可应用于悬铃木育性改良的载体，为今后利用启动子策略，培育不育甚至无球果悬铃木打下了基础。.