拟南芥侧芽发生相关LATERAL SUPPRESSOR基因上游转录因子的鉴定

Axillary meristems (AMs) initiate in the axils of leaf primordia from a mass of stem cells, and have potential to form axillary shoots.The initiation of axillary meristem is a complex process involving the reestablishment of stem cell organization center, which may be controlled by sophisticate and dynamic regulatory networks. AMs play important roles in the control of plant architecture, and is a major determinant of crop yield. The mechanisms underlying AM initiation is not only a fundamental issue in plant developmental biology, but is also crutial for the molecular design towards crop improvement. It is phenotypically difficult to observe AMs in model plant Arabidopsis, as AM outgrowth is affected by multiple endogenous and environmental factors, so there is clear lack of AM initiation mutant. This project will combine cell-specific transcriptomics together with yeast-one-hybrid technology to identify trans-acting factors of LATERAL SUPPRESSOR gene and analyze the regulaory relationship between them. This proposed project will identify new transcription factors underlying AM initiation at cellular resolution, which will pay a way for illustration of the mechanisms in AM initiation.

侧芽(Axillary meristem)形成于叶原基根部，来源于一团具有分化潜能的干 细胞去分化形成的侧生分生组织。侧芽发生涉及干细胞分生组织中心的重建，可能受到复杂 的动态调控网络控制。同时，侧芽的发生在很大程度上决定了植物株型，并直接影响作物产 量。解析侧芽发生的分子机制不仅是植物发育生物学的基本问题，也有助于作物改良的分子 设计。由于侧芽在拟南芥等模式植物中难于观察，其进一步外生受到众多内源和环境因素影 响，利用突变体筛选的方法来研究侧芽发生存在着很大的局限性。本研究拟采用细胞特异的 转录组学分析结合酵母单杂交筛选的策略，筛选侧芽发生相关LATERAL SUPPRESSOR基因上游反式作用因子，解析这些基因的转录调控关系。这项研究将从细胞特异的转录组水平鉴定侧芽发生相关基因，为侧芽发生的分子机制研究奠定基础。

侧生分生组织（Axillary meristem）包含具有分化潜能的干细胞，能够形成侧芽。它位于叶原基的基部，经历发生和外生两个过程，最终发育成侧枝。侧芽的发生对植物株型的建立具有重要的作用，是植物发育生物学的基本问题。侧芽发生在作物中称为分蘖，分蘖数目和角度，以及生殖时期的穗分枝数量等，直接影响作物产量。解析侧芽发生的分子机制，还将有助于推动作物育种的分子设计。但侧芽发生部位的细胞数目非常少，且受顶端优势抑制及复杂环境条件的影响，侧芽发生的表型难于观察，因此用传统的正向遗传学的手段进行研究存在很大的局限性。本研究从系统生物学角度出发，解析了侧芽发生所在的叶腋处边界区细胞特异的转录谱，与整个叶原基细胞表达的转录谱比较分析，鉴定了边界区细胞特异表达的466个基因，这些基因赋予了边界区特异的细胞属性，包括细胞分裂与增殖，细胞周期，激素刺激，表观遗传修饰等，为研究侧芽发生的分子机制指明新的方向。同时，分析发现激素在边界区具有差异的分布模式，其中生长素低富集与细胞分裂素的高富集与实验室其它研究结果吻合，为这两个激素在侧芽发生过程中的作用提供了转录组的证据。我们对在边界区特异表达并影响侧芽发生的重要基因LATERAL SUPPRESSOR （LAS）启动子的不同区段进行了高通量酵母单杂交筛选，获得了73个转录因子与7个不同区段的86个蛋白质-DNA互作关系，同时经过凝胶阻滞、染色体免疫共沉淀结合qPCR分析，验证了ARR1，CUC2，SPLs等基因与LAS启动子的互作关系。通过突变体表型以及遗传分析等实验，鉴定了4个新的侧芽发生或者叶片发育相关的调控因子，它们的突变体或者过表达出现了侧芽缺陷或增生以及叶片锯齿状的表型。结合转录组数据，重建了LAS的上游调控网络，进一步阐释了侧芽发生的分子机制。该项目的实施不仅为研究侧芽发育及其它植物发育过程的分子机制提供了系统学的新方法和新思路，同时也解析了侧芽发生相关LAS基因的上游调控网络，阐释了调控LAS基因的分子机制，有助于进一步阐释侧芽发生的精细调控网络图谱。