AP2/ERF家族转录因子ZmEREB97在玉米根系氮响应基因表达调控网络作用解析

AP2/ERF family transcription factors have a wide range of functions in plants, while there is little study on their mechanism of response to nitrogen regulation. In the previous research, we found an AP2/ERF family transcription factor ZmEREB97 may participate in regulating nitrate responsive genes through integrating the assay of co-expression network, de novo motif discovery and yeast one-hybrid screening. The proposal of this study is aiming at exploring the mechanism of ZmEREB97 response to NO3- and construct the nitrogen responsive gene expression network centered on ZmEREB97. First, we will use zmereb97 uniformMu mutants and ZmEREB97 overexpression materials to exploring the mechanism of ZmEREB97 response to NO3-. Second, we will apply yeast two-hybrid to screening the potential nitrogen-related transcription factors that interact with ZmEREB97. Finally, we will use ChIP-seq and RNA-Seq to exploring the nitrogen responsive genes directed targeted by ZmEREB97 and its interaction protein and construct the nitrogen-responsive gene co-expression network centered on ZmEREB97. The technologies and results will show the important role of ZmEREB97 in maize response and utilize of nitrogen and the feasibility of our method for mining maize nitrogen responsive transcription factors.

研究氮响应基因表达调控网络并挖掘其中重要的转录因子，对解析玉米对氮素利用效率的遗传机制具有重要意义。前期我们通过构建和分析玉米根系氮响应基因共表达网络发现AP2/ERF家族转录因子识别和结合的核心元件GCC-box在根系氮响应基因启动子区域显著富集，随后利用酵母单杂交技术挖掘到一个新的与氮响应相关的AP2/ERF家族转录因子ZmEREB97。本研究拟利用ZmEREB97Mu突变和过表达材料，探究ZmEREB97受NO3-调控的分子机理和对玉米氮素利用效率的影响；利用酵母双杂交技术筛选能与ZmEREB97互作的氮相关转录因子；利用ChIP-seq技术和RNA-seq技术深入挖掘ZmEREB97及其互作蛋白的靶标基因，揭示ZmEREB97在玉米根系氮响应基因表达调控网络中的作用。通过综合分析以上结果，揭示AP2/ERF家族转录因子与玉米氮响应之间的联系并检验项目用于挖掘氮相关转录因子的可行性。

玉米是一种需氮量非常高的作物，玉米氮高效育种也一直是一个全世界比较关注的热点，但目前研究者们对玉米氮吸收和分配的分子机制仍没有完全理解。研究玉米对氮素利用的分子机制，深入理解参与玉米氮吸收，转运，同化和信号转导的关键因子，对于玉米氮高效育种具有非常重要的意义。AP2/EREBP家族转录因子广泛参与植物各种生命活动，但是对于其在植物氮响应方面的研究甚少。前期研究发现玉米AP2/EREBP家族转录因子ZmEREB97可能在根系早期氮响应中发挥着重要的作用，本研究进一步分析了ZmEREB97在玉米氮响应中的作用。通过共表达网络分析，发现AP2/EREBP家族转录因子在参与玉米根系氮响应基因的调控以及与其他转录因子互作中均具有重要作用；通过酵母单杂交和RNA-Seq分析，发现ZmEREB97，ZmEREB205，ZmEREB92和ZmEREB196 4个AP2/EREBP B1亚家族转录因子对氮均具有响应，且ZmEREB97对于氮的响应更为显著；通过转录激活分析证实ZmEREB97是一个转录抑制因子，能够抑制硝酸转运蛋白编码基因GRMZM2G010251和GRMZM2G094712以及天冬氨酸氨基转移酶编码基因GRMZM2G124396启动子的活性；通过组织定位和表达分析证实ZmEREB97主要在玉米根系的细胞伸长区和分裂区域以及侧根原基中表达，且ZmEREB97是受氮诱导的，硝酸盐直接对ZmEREB97的表达起作用，并不受蛋白从头合成影响；DAP-Seq结果获得1446个ZmEREB97的潜在靶标基因，且这些基因均受氮调控；对zmereb97的缺失突变体进行分析，结果显示ZmEREB97功能缺失会对玉米氮吸收和积累能力产生影响，继而进一步影响玉米根系的发育和植株的生长。以上结果表明玉米ZmEREB97在玉米氮响应以及调控氮响应基因中具有非常重要的作用。