IbMPK3/6参与调控甘薯抵御低温逆境分子机制的研究

Low temperature is one of the major environmental factor which not only affects growth, development and productivity of plants, but also limits the growing season and geographical distribution. Sweetpotato (Ipmoea batatas [L.] Lam.) is the fourth most important food crop in the world. The crop is widely cultivated in China because of its strong adaptability to environment (especially in margin region), high yield potential, high nutritive value and short growth period. MAPK (Mitogen-activated Protein Kinase) were implicated in various enironmental stresses response, including low temperature stress. However, its molecular mechanism is unclear yet. Previous study showed that the expression of IbMPK3 and IbMPK6 were strongly induced by cold stress, suggesting that IbMPK3 and IbMPK6 play critical roles in cold stress response. Then we generated transgenic sweetpotato plants overexpressing IbMPK3 and IbMPK6 genes respectively, and found transgenic sweetpotato showing more cold tolerance than control. In this project, we will try to detemine the biological functions and regulatory network of IbMPK3 and IbMPK6 genes under low temperature stress by using transgenic sweetpotato. Furthermore, the downstream proteins interacted with IbMPK3 or IbMPK6 will be found and identified, revealing the molecular mechanism mediated by the two genes involved in resistance to low temperature stress in sweetpotato.

温度是植物生长发育过程中最重要的环境因素之一。低温不仅影响农作物生长发育和产量，也制约农作物的耕作时间和地理分布。甘薯因耐贫瘠、易管理、高产量和丰富的营养价值，在我国广泛种植，是继水稻、小麦和玉米之后的第四大粮食作物。MAPK蛋白激酶响应多种环境胁迫，其中也包括低温胁迫，但其分子机制尚未明确。我们前期研究发现甘薯IbMPK3基因和IbMPK6基因均响应低温胁迫，推测这两个基因在甘薯低温信号传导途径中发挥着重要的功能。随后我们构建了IbMPK3和IbMPK6过表达转基因甘薯植株，发现转基因材料明显提高了甘薯的耐低温性。在此基础上，本项目利用转基因甘薯材料，研究IbMPK3和IbMPK6介导植物抵御低温胁迫的生物学功能和调控网络，推测并验证这两个基因下游互作基因，揭示其响应低温胁迫的分子机制。

温度是植物生长发育过程中最重要的环境中因素之一。甘薯的不耐低温性严重制约了甘薯产业的发展。 研究甘薯丝裂原活化蛋白激酶IbMPK3和IbMPK6在抵御低温胁迫过程中的功能，为解析甘薯耐低温机制和遗传改良提供了参考。.1. 采用农杆菌介导法分别获得IbMPK3和IbMPK6过表达转基因甘薯植株。对非转基因植株（WT）和转基因株系进行低温胁迫和恢复处理，观察处理后及恢复后的表型变化；检测光合指标、丙二醛和过氧化氢等生理指标；利用二氨基联苯胺（DAB）和氮蓝四唑（NBT）染色法观察活性氧的积累情况；分析低温信号转导途径中关键转录因子的表达水平。过表达IbMPK3和IbMPK6甘薯植株通过缓解光合系统和膜系统损伤，减少活性氧积累，提高了对低温胁迫的耐受性。 .2. 以非转基因植株（WT）和IbMPK3/IbMPK6过表达转基因植株为材料进行低温胁迫下转录组分析。PCA样本主成分分析表明低温胁迫后，非转基因植株和IbMPK3/6转基因植株聚类分布存在显著差异，短期低温胁迫后对照组的差异基因远高于转基因组，说明非转基因和转基因植株抵御低温机制存在差异。 KEGG富集分析表明非转基因植株的低温响应主要富集在植物次生代谢途径、苯丙氨酸途径和类黄酮等信号通路，而IbMPK3和IbMPK6转基因的低温响应基因主要与MAPK信号转导途径、植物激素信号和病原菌侵染互作等途径相关。该研究进一步明确IbMPK3和IbMPK6参与甘薯抵御低温胁迫的生物学途径。.3.通过酵母双杂交筛选、回交验证后共获得23个与IbMPK3互作的蛋白，其中包括钙调蛋白IbCaM、转录因子IbNAC2和水通道蛋白IbTIP1。CaM、NAC2和TIP1参与细胞信号调节，在植物生长发育和逆境胁迫应答等生理过程中发挥着重要作用。IbMPK3是否通过与这些蛋白结合参与甘薯低温信号转导途径还需要进一步研究。