LAS和CUCs基因调控拟南芥侧芽发生的分子机制

Axillary meristems (AMs), which initiate from a mass of stem cells in the axils of leaf primodia, play important roles in plant architecture, and are crucial for crop productivity. Studies on AM initiation are not only the fundamental issue in plant development biology, but also can guide for crop design. Due to limited cells in the boundary region where AM initiate, the gene expression levels are low. The reestablishment of stem cells are also involved in this process that traditional methods cannot make a breakthrough. Transcriptional regulation play important roles in this process. To dissect the gene regulation network is key to illustrate the mechanism for AM initiation. Our previous work employed systems biology to study the gene regulatory network underlying AM initiation. We identified some novel factors involved and reconstructed the upstream regulatory network. We also found that although LAS, CUC3 genes play crucial roles, their mechanisms that is their downstream regulatory genes are still largely unknown. This project will analyze cell-type specific transcriptomes in a specific inducible system, and combine chromatin immunoprecipitation together with seq technique (ChIP-seq), to dissect the downstream transcriptomes of these genes. This will identify the target genes of CUC3, and expand the regulatory network, which will further illustrate the molecular mechanisms involved in AM initiation.

侧生分生组织（Axillary Meristem，AM）形成于叶原基根部的一团分生组织细胞，其发生直接影响植物株型的建立，决定作物的产量，是发育生物学的重要问题，并可指导作物改良。由于AM发生区的细胞数量非常少，基因表达水平较低，并涉及复杂的干细胞重建过程，传统手段的研究难于进行。转录调控在侧芽发生过程中发挥重要作用，对其中转录调控网络的解析是揭示AM形成分子机制的关键。我们的前期工作利用系统生物学技术在全基因组水平重构了AM发生过程的上游基因调控网络，并发现和鉴定了新的调控因子。研究同时发现LAS，CUC3是关键性的调控中心，但其作用机制也就是调控的下游基因尚不明确。本项目拟将细胞类型特异的转录谱分析用于特异诱导体系，并结合ChIP-seq技术，鉴定CUC3基因的下游转录谱。该项目的实施将鉴定出上述基因的下游基因，拓展AM发生的调控网络，阐释AM发生的分子机制。

侧生分生组织位于叶腋处，具有顶端分生组织同样的发育潜能，能够形成侧芽和侧枝。侧生分生组织的形成涉及细胞命运决定，是发育生物学的重要问题。先前研究表明转录调控在侧生分生组织活性建立过程中发挥重要作用，但仅有为数不多的几个转录因子被鉴定出来，包括CUP-SHAPED COTYLEDON3 (CUC3)及LATERAL SUPPRESSOR(LAS)等。目前尚不清楚这些转录因子调控侧生分生组织建立的分子机制。本项目中，我们应用细胞类型特异的转录谱分析技术结合诱导表达系统研究侧生分生组织的发生。我们成功构建了侧芽发生部位（即边界区）特异的诱导表达体系，并通过翻译核糖体亲和纯化技术实现了边界区特异的诱导表达下游转录谱的分析。对CUC3下游转录组的分析鉴定了一系列诱导后激活及抑制表达的基因。通过与之前获得的边界区特异表达的基因结合，并比较在蛋白酶抑制剂存在下的基因表达情况，最后鉴定出8个候选靶基因，用于后续表型分析。我们进一步通过CRISPR技术创建突变体并进行表型分析，已鉴定出其中2个基因的突变体具有侧生分生组织建立相关缺陷。NGATHA基因相应突变体nga1234表现出部分侧芽增多的表型。ERF12（ERF domain protein 12）基因突变体crERF12与野生型相比，发生了叶片及侧枝数量的增加，二级侧枝也发生了显著的增多现象。在之后的研究中，我们将会对CUC3对NGAs/ERF12基因的调控机制进行进一步的解析，阐释其调控侧生分生组织活性建立的分子机制。