转录因子Dof3在玉米籽粒糊粉层发育中的功能与作用机制

Regulation of maize endosperm development has been the focus of scientific research. Aleurone is one of the most important components in maize endosperm. Dof proteins are members of plant-specific transcription factors and play significant roles in diverse biological processes. By genome-wide screening, we identified a Dof transcription factor, Zmdof3, which specifically expresses in maize endosperm. Suppression of ZmDof 3 by the RNAi resulted in disorganized aleurone, which locally contains multilayer cells. In situ hybridization experiments showed that Zmdof3 is mainly expressed in the aleurone of maize endosperm, suggesting that Zmdof3 contributes to the aleurone development. Furthermore, the expression pattern of aleurone-relative genes showed that Dek1, a central regulator required for aleurone cell fate specification, has increased expression level in Zmdof3-RNAi endosperm. These results implied that Zmdof3 may function as a negative regulator of Dek1 in the signaling system controlling aleurone development. In this project, we will reveal the mechanism and explore regulatory network of Zmdof3 in maize aleurone development by further study. The results will not only enrich our understanding of maize aleurone development, but also facilitate the functional research of Dof proteins.

玉米胚乳发育的调控一直是科学研究热点，糊粉层是玉米胚乳的重要组成部分。Dof蛋白是植物特有的转录因子，参与许多生理过程。通过对玉米进行全基因组的筛选，获得糊粉层中特异表达Dof转录因子基因Zmdof3，干扰Zmdof3在玉米籽粒中的表达，导致转基因玉米籽粒干瘪、胚发育不良、出现多层糊粉层细胞，原位杂交显示ZmDof3基因主要在籽粒的糊粉层中表达。这些结果暗示ZmDof3在玉米糊粉层发育中起着重要的作用。进一步，对干扰的转基因籽粒中与糊粉层发育相关基因的分析显示，Dek1基因的表达有所提高，推测ZmDof3可能在Dek1的上游起作用，通过负调控Dek1表达，调控糊粉层细胞的发育。本项目提出申请，进行深入研究，明确ZmDof3在玉米糊粉层发育中的作用和作用机制，探讨Zmdof3参与的玉米籽粒发育的调控网络。研究结果不仅能够加深对玉米籽粒糊粉层发育的了解，还能推进对植物Dof蛋白的功能研究。

Dof蛋白是一类植物特有的、具有保守单锌指结构的转录因子, 参与植物多种发育过程的调控。实验室前期通过全基因组分析, 发现在玉米籽粒的胚乳中特异表达ZmDof3。ZmDof3具有Dof转录因子特性，Zmdof3表达量的降低影响转基因玉米籽糊粉层发育。在此基础上，我们对ZmDof3在玉米籽粒发育中的作用和作用机制进行深入分析。扫描电镜观察和半薄切片的显微观察显示ZmDof3表达水平下降的转基因玉米成熟籽粒的糊粉层细胞小且形态不规则，部分位置的细胞层数增多；淀粉粒较小、排列松散、形状不规则。糊粉层分化和发育相关基因nkd1和nkd2，淀粉合成相关基因和蔗糖合酶基因表达量显著下降。这些结果表明ZmDof3在玉米籽粒发育中发挥着重要的调控作用，通过调控糊粉层发育相关基因 nkd1 的表达参与糊粉层的发育，通过影响 du1 和 su2 等淀粉合成相关基因的表达调控淀粉在胚乳中的积累。为了深入解析玉米籽粒发育的调控，我们对玉米EMS籽粒突变体进行分析。YU18突变体籽粒表现出胚乳干瘪、胚发育迟滞；成熟籽粒中淀粉颗粒变小, 淀粉含量降低；蛋白体变小,醇溶蛋白含量明显减少，已经克隆到目的基因。进一步将研究该基因的作用机制，明确基因参与的调控网络。. 对Dof转录因子的全基因组水平分析还发现了ZmDof30，其在成熟花粉中的转录水平高。本实验室之前的研究发现，Zm908主要在玉米成熟花粉中表达，参与调控玉米花粉管生长。通过启动子截短分析和EMSA实验，证明 ZmDof30能够通过结合p184上的AAAG元件负调控p184的启动子活性。ZmDof3可能在玉米花粉中作为Zm908转录抑制因子参与对花粉管生长的调控。. 从玉米中克隆了DREB转录因子A-4亚类成员基因ZmDREB4.1。ZmDREB4.1转基因烟草的下胚轴、茎和叶柄变短,子叶和真叶变小。深入研究显示转基因烟草叶片变小可能是由于细胞分裂被抑制，转基因烟草下胚轴、茎和叶柄变短可能是由于细胞伸长被抑制。该基因的作用机制还需要进一步研究。. 这些研究有利于解析玉米生长发育，指导玉米遗传育种。