低温介导的CBF与赤霉素途径互作抑制植物生长的机制研究

Plant fertility and crop yield largely depend on environment factors. Low temperature is one of crucial impact factors limiting the yield of crops. It has been reported that the plant growth retardation is modulated by CBF cold responsive pathway as well as gibberellin signaling. Nevertheless, the mechanism involved in these processes and the interplay between CBF and gibberellin signaling is still unknown. The growth repression caused by CBFs overexpression can be rescued by exogenous GA treatments, suggesting that CBFs interact with the GA signaling pathway. In the present work, we will use molecular and biochemical methods to investigate the genetic connection of gibberellins and CBFs; use high-flux sequencing to seek novel downstream genes of CBFs participating in regulation of gibberellin metabolic and signaling pathways; reveal the mechanism of modulation of CBFs and gibberellins under cold stress and establish the network of interaction between CBF and gibberellin signaling in model plant Arabidopsis. This work will increase the understanding of the integration mechanism of cold response regulated by interaction between CBF and gibberellin signaling in Arabidopsis, and provide novel potential strategies of transgenic engineering in plant breeding.

低温是典型的环境胁迫因素之一，研究低温对植物生长抑制机理将有助于扩展植物的生长范围或提高低温胁迫条件下所带来的作物减产。植物的生长抑制受到多个因素调节，其中低温诱导CBF信号通路和赤霉素信号通路是两个重要的环节，这两者的作用机制以及是否存在交互作用尚不清楚。本项目以模式植物拟南芥为材料，以CBFs转录因子为切入点，选用12℃为低温条件，通过表型观察确定低温或CBF过表达所导致的植物生长抑制与赤霉素信号通路相关，采用荧光定量PCR和蛋白互作等方法，分析CBFs对赤霉素途径相关基因的调控；采用高通量测序方法建立CBF途径与赤霉素途径的互作网络；应用各种突变体、生化手段分析CBF途径与赤霉素途径的互作机制。本项目拟通过解析CBF途径与赤霉素途径的关系来阐明低温抑制植物生长、降低作物产量的机制，为解释植物如何对气候温度的变化作出反应，也为科学家培育出更能适应当前气候变化的植物新品种提供重要的依据。

低温是典型的环境胁迫因素之一，研究低温对植物生长抑制机理将有助于扩展植物的生长范围或提高低温胁迫条件下所带来的作物减产。植物在低温下的生长抑制受到多个因素的调节，其中低温诱导 CBF 信号通路和赤霉素信号通路是两个最重要的环节，这两者的作用机制以及是否存在交互作用尚不清楚。本项目以模式植物拟南芥为材料，以 CBFs 转录因子为切入点，研究了低温或 CBF 过表达所导致的植物生长抑制与赤霉素信号通路的关系，结果显示：AtCBF过表达的拟南芥植株中的活性赤霉素的含量降低，外源施加GA可以部分恢复矮化表型，因此CBF基因抑制植株体内赤霉素的合成是植物矮化表型产生的原因之一；其分子机制一方面表现在通过与赤霉素降解途径基因GA2ox7的CRT/DRE类似作用元件L2结合直接上调其表达水平，通过GA2ox7基因的作用，降解拟南芥植株中活性赤霉素，另一方面显示AtCBF过表达可上调DELLA基因RGL3的表达水平，RGL3上调与植物的生长抑制的关系还需进一步确定。外源施加GA只能部分恢复矮化表型，说明低温或 CBF 过表达导致植株矮化还与其它信号通路相关，通过转录组分析发现，低温或 CBF基因的调控还与植物的多种内源信号如激素信号，特别是生长素信号通路相关。AtCBF过表达的拟南芥植株中生长素的含量也降低，AtCBF过表达的拟南芥植株有49个生长素信号途径相关基因被影响，其中有5个基因被共同上调，32个基因被共同下调。下调中CBF2单独下调的有7个，CBF3单独下调的有4个，推测抑制生长素信号传递很可能是CBF过表达导致矮化表型的另一条途径。本项目拟通过解析 CBF 途径与赤霉素途径以及其它相关途径的关系来阐明低温抑制植物生长、降低作物产量的机制，为通过遗传方法改良作物的生长状态，提高作物的产量提供理论基础。也可为其他物种中CBF基因的功能研究提供了借鉴，并为改良农作物抗逆性提供了理论上的指导。