大白菜FLC天然反义转录本调控春化作用的研究

Chinese cabbage and cabbage are two important vegetable crops. In the field, early bolting before formation of edible heads usually causes tremendous loss of yield and quality. Delay of vernalization and bolting for enough vegetative growth of these crops is an important objective for breeding of high yield and quality. Recently, we isolated 4 FLC genes and 1 natural antisense transcript (NAT) of FLC from the early bolting variety of Chinese cabbage. Over-expression of Chinese cabbage FLC antisense transcript in arabidopsis greatly accelerates bolting and flowering. To assess the reasons why FLC NATs promoting flowering time, we try to identify four FLC copies and their NATs from early and late bolting varieties of Chinese cabbage, and analyze temporal and spatial expression pattern during and after vernaization. To further study the correlation between the NATs expression level and flowering time, we will produce a series of transgenic lines of Chinese cabbage with constructs containing FLC NATs, and explore the FLC expression pattern and flowering time in these transgenic plants. In the end, we will investigate the underling molecular mechanism of FLC NATs regulating FLC gene or FLC chromatin methylation by various physiological and biochemical experiments. All those data will provide a scientific resolution for "unmature vernalization" and the genetic control of flowering time of crops.

大白菜和甘蓝是两种重要的蔬菜作物，生产上屡屡发生的"未熟抽薹"现象是造成产量损失和品质变劣的一大难题。如何延迟春化和抽薹时间，是大白菜和甘蓝高产优质育种的主要育种目标。最近，我们从大白菜易抽薹的品种中分离到4个FLOWER LOCUS C（FLC）拷贝和1个天然反义转录本（NAT）。在拟南芥中过量表达该反义转录本，其结果显著加快了转基因植株的抽薹开花时间。为了明确大白菜FLC基因NAT促进植株开花的原因，我们将选择易抽薹和难抽薹的大白菜自交系，分离所有的NATs，研究它们在低温处理过程中的时空表达模式；构建其双元表达载体并转入大白菜，了解它们表达水平的改变对抽薹时间的调控作用，研究NATs调控FLC基因和染色质调控复合体的可能性和分子机制，为揭示大白菜和甘蓝"未熟抽薹"的分子机制，在遗传上控制作物开花时间提供科学依据。

大白菜和甘蓝是重要的蔬菜作物，我国各个地区都有广泛栽培。生产上，大白菜和甘蓝不同类型品种往往搭配种植，多季节多茬次上市，在农业产业结构调整，增加农民收入，缓解市场淡旺季，满足鲜菜周年均衡供应起关键性作用。据调查，大白菜生产中的最大问题是未熟抽薹。未熟抽薹是指大白菜在尚未形成可以食用的叶球之前就遭遇低温春化抽薹开花的现象。FLC是重要的开花抑制因子，受到春化作用的负调控。我们的研究结果表明，芸薹属作物FLC反义转录本过量表达转基因株系大大缩短了植物生理周期。芸薹属作物FLC存在四个基因拷贝，通过对快，中和慢生理周期作物的FLC进行分析，我们发现FLC在序列进化和表达水平上存在巨大的变异。B热是需要春化的两年生作物，来源于FLC2基因座位的5个反义转录本在春化条件下被迅速的诱导，与此同时FLC基因逐渐下调。在B热中过量表达FLC2反义转录本使得植株不需要春化就进入生殖生长时期，从而形成了具有梯度的生理周期。其中，最快完成生活史的转基因株系开花和结种时间变得与Yellow sarson一样。Yellow sarson是一种一年生作物，它的4个FLC基因拷贝都存在无义突变从而产生不具有功能的FLC。我们的结果表明芸薹属的两年生生理周期可以通过改变反义转录本的表达来实现。因此利用反义转录本对植物生理周期进行遗传操作是切实可行的。本项研究深化了人们对非编码RNA调控植物从营养生长向生殖生长转化机理的认识，推动了植物生殖发育生物学的研究，为我们利用基因工程手段有选择地控制作物开花时间提供 了科学依据，对于解决大白菜和甘蓝生产上未熟抽薹的难题具有积极的指导作用。