转录因子TaAGL7-like调控小麦抽穗期的功能及分子机制解析

Wheat heading date is an important breeding objective trait. It is not only associates with growth period, but also affects the yield, disease resistance and other important agronomic traits. In previous research, a novel MADS box transcription factor, TaAGL7-like, was isolated and characterized from bread wheat (Triticum aestivumL.). The analysis of full-length cDNA sequence, conservative domain and phylogenetic tree suggest that TaAGL7-like belongs to SOC1 clade and shows homology with OsMADS56. Over-expression of TaAGL7-like significantly promoted early flowering in Arabidopsis as well as in transgenic wheat. Based on the previous study, the biological function of TaAGL7-like will be clarified through the mutant plant using technologies of CRISPR/Cas9. Downstream target genes and the interacting proteins of TaAGL7-like were obtained by using RNA-Seq, ChIP-Seq and yeast two hybrid assays, and regulation mechanisms were also analyzed. Functional markers were developed based on the excellent mutant loci using by association analysis method. All the results will well elucidate the function and spikelet development mechanism of wheat transcription factor TaAGL7-like, explore the genetic basis of wheat heading date variation and provide theoretical foundation for wheat breeding.

小麦抽穗期是重要的育种目标性状之一，不仅与生育期关系密切，而且直接影响产量、抗病、抗逆等许多农艺性状。前期从小麦中克隆到转录因子TaAGL7-like。全长cDNA、保守域及同源性分析发现TaAGL7-like属于MADS-box转录因子家族SOC1亚类成员，是水稻花发育负调控基因OsMADS56的直系同源基因，在拟南芥和小麦中超表达TaAGL7-like均可提早开花。本申请项目拟利用CRISPR/Cas9技术，获得小麦TaAGL7-like敲除突变体，验证其生物学功能；采用转录组测序结合染色质免疫共沉淀及酵母双杂交技术，筛选鉴定出TaAGL7-like调控的靶基因和互作蛋白，分析其调控分子机理；基于关联分析，挖掘优异等位变异并开发功能标记。最终揭示小麦转录因子TaAGL7-like的功能和穗发育分子机制，探讨小麦抽穗期变异的遗传基础，以期为小麦品种选育提供理论依据。

抽穗期决定了小麦品种的地区适应性和推广面积，直接或间接影响小麦的产量、抗病、抗逆等重要农艺性状。研究小麦抽穗调控相关基因及其作用机理，对培育生育期适宜的小麦品种具有积极意义。本研究以小麦MADS-box家族成员TaAGL7-1D为研究对象，通过不同组织器官、生长发育进程基因表达模式分析，拟南芥异源表达材料和基因编辑小麦材料创建，探索TaAGL7-1D调控小麦抽穗期和幼穗发育的生物学功能。根据生物信息推测、转录组分析和酵母单杂验证，初步解析TaAGL7-1D调控下游抽穗期关键基因及其相关通路。主要结果如下：（1）基因表达模式分析表明， TaAGL7-1D基因表达量随生育进程推进而增加，在抽穗期达到峰值，抽穗期幼穗外稃中表达量最高，芒中最低。且表达模式具有昼夜周期节律。（2）生物信息学分析表明，TaAGL7-1D属于MADS-box家族转录因子SOC1亚类成员，与水稻花发育负调控基因OsMADS56同源性最高，拟南芥中超表达TaAGL7-1D基因后，转基因植株均提前开花，拟南芥AtAGL20(SOC1)基因T-DNA插入突变体（晚花）中过表达TaAGL7-1D后，拟南芥突变体开花提前。（3）创建TaAGL7-1D基因编辑转基因小麦，TaAGL7-1D基因敲除后小麦抽穗期推迟两周左右，结实率下降，株高降低，其他农艺性状无明显变化。（4）为了明确TaAGL7-1D调控小麦抽穗期的分子机理，分析了46个小麦抽穗期相关基因的启动子区调控元件。MADS-box家族基因启动子区前2000bp区域的碱基序列内，有88个CArG-box元件特征motif分布于34个基因启动子区，其中SRF-style有9个。motif在启动子区随机分布，和起始密码子的相对位置并无规律性，这些基因中最少的如TaSOC1-7D基因仅有1个特征元件，最多者如TaSOC1-6A基因有7个特征元件。（5）转录组结果表明，茉莉酸（JA）和赤霉素（GA）参与的花期调控途径相关基因的下调是编辑小麦花期变晚的主要原因。（6）TaGI基因与TaAGL7-1D的昼夜周期节律存在协同性且含SRF-style元件（CCAAATTTGG），酵母自激活实验表明，TaAGL7-1D基因在酵母中没有转录激活活性。酵母单杂实验结果表明，TaGI基因可能是TaAGL7-1D基因的下游靶基因。