大豆受体激酶介导的避荫反应调控研究

Soybean (Glycine max) strip intercropping system, by which the land output rate was largely increased, is one of the most important way out for domestic supply of soybean and has been rapidly popularized in China in recent years. Growth and development of soybeans, however, are effected by shading of adjacent soybeans and the tall crops in the strip intercropping system. Plant receptor-like kinases (RLKs) are single-pass transmembrane proteins on plasma membranes found playing a crucial role in sensing biotic and abiotic stimulations including disease, phytohormones, drought and salt stresses. Arabidopsis ERECTA (ER), belonging to the LRR-XIIIb subfamily of RLKs, was recently found to involve in shade avoidance, but the molecular mechanisms are still unknown. Our proposal is aimed to elucidate the functions of GmER (Glycine max ERECTA), soybean orthologs of Arabidopsis ER, and to discover novel shade avoidance-related soybean RLKs and their molecular mechanisms in early signal transduction of shade-avoidance control with approaches of genetics, molecular biology, biochemistry and phosphoproteomics. These studies would give us new insight into functions of soybean RLKs and be important for further investigation of detailed molecular mechanisms of crop RLKs in shade avoidance in maize-soybean intercropping system.

大豆带状间套作能大幅度提高土地产出率，是保障国内大豆供给的重要出路。但在带状套种下，高位作物会形成荫蔽，严重影响大豆苗期的生长发育。研究表明，受体激酶ERECTA（ER）对植物避荫反应调控至关重要，但相关研究还处于起步阶段，分子机理尚不清楚。本申请以玉米-大豆带状套作体系为主要研究对象，以ER在大豆中的同源蛋白GmER为切入点，综合运用生理学、遗传学、分子生物学和生物化学的方法，研究荫蔽胁迫对大豆GmER的时空表达调控，以及GmER在避荫反应中的功能；同时，运用磷酸化组学的方法找到感知或响应荫蔽胁迫的受体激酶复合物新成员，并初步揭示它们介导的避荫反应早期信号转导机制，为进一步深入研究受体激酶调控的避荫反应分子机理奠定基础，也为大豆带状套作模式的发展提供理论依据。

玉米-大豆带状套作模式平衡了土地高产出和农业的可持续发展。然而，在该模式下，大豆幼苗长期受到玉米的遮荫，影响了大豆幼苗的最优生长，阻碍了大豆产量的进一步提升。植物受体激酶往往以蛋白复合物的形式调控植物的生长发育和环境适应的各个方面。前人仅有有限的报道表明拟南芥受体激酶AtERECTA (AtER)参与调控避荫反应，然而其分子机理还不清楚。本研究比较研究了大豆和拟南芥ER的表达模式及其调控避荫反应的生理及分子机制。结果显示，4个大豆GmERs具有组织表达差异性，其中GmERa在下胚轴中受荫蔽诱导的表达模式与拟南芥ER表达模式最为类似。在此基础上，我们发现了一个截短的全新GmER剪切子GmERa.2参与调控植物的避荫反应。进一步研究发现ER调控的避荫反应受到生长素和赤霉素的协共同作用。为进一步寻找大豆幼苗避荫反应调控的新成员并深入研究大豆避荫反应的分子机理，我们采用转录组分析寻找到了多个调控大豆下胚轴避荫反应的关键基因，并结合外源添加植物激素方法解析了植物激素互作调控大豆下胚轴避荫反应的分子生理机制；运用差异蛋白组学找到了多个细胞壁糖代谢关键蛋白，从蛋白组水平初步解析了大豆幼苗茎尖响应荫蔽胁迫的分子机制。同时，定量磷酸化组学分析结果筛选到包括7个受体激酶在内其磷酸化受到荫蔽调控的蛋白。我们将这些未知功能的受体激酶命名为SHIRKs（SHade-Insensitive Receptor-Like Kinases）。我们已发现拟南芥shirk1等缺失突变体对荫蔽不敏感，生理实验证明这些受体激酶调控的避荫反应可能主要通过调控生长素的内稳态和运输进行。目前我们已克隆到大豆SHIRK1，正在大豆中进行超表达并用RNAi和CRISPR/Cas9方法分别构建大豆SHIRK1及其同源基因的基因沉默或缺失突变体，结合生理生化等手段研究SHIRK1调控大豆避荫反应的分子机理。项目资助发表SCI论文6篇，国内核心期刊论文1篇，正在投稿SCI论文3篇。培养已毕业硕士研究生2名，5名在读硕士研究生。