蒺藜苜蓿株高性状的分子调节机理研究

Plant height is one of the most crucial agronomic traits of crops, which directly effect crops yield and quality. Excessive high plant tends to cause lodging and decreasing in agricultural production, while dwarf plant is lodging-resistant and can ensure high and stable yields. Breeding of dwarf cultivars have been performed in most grain and commercial crops, the relevant dwarf genes and mechanism of dwarfism have been elucidated benefitting from the developing theories and techniques in molecular biology. However, the related study has not been developed thoroughly in most of the legume crops duo to limited dwarf cultivars and insufficient molecular manipulations. In this study, we use Medicago truncatula, a model plant of legume, as our research materials. Dwarf mutants were screened from the tobacco retrotransposon Tnt1 insertion mutant population of Medicago truncatula. We plan to use whole genome resequencing and map-based cloning approaches to isolate the key dwarf genes in these mutants. Then we aim to analyze the detail function of these genes, meanwhile to screen its directly regulating genes and interaction factors of its coded protein. If we can elucidate the genetic and molecular mechanism of plant height trait in Medicago truncatula, it will provide us theoretical basis for dwarf breeding in Medicago and other legume crops.

株高是作物重要的农艺性状之一，它直接影响到作物的产量和质量。植株过高容易产生倒伏以致减产，而矮生植株抗倒能力强更易获得稳产高产。主要的粮食作物和经济作物均开展了矮杆品种的选育工作，随着分子生物学理论和技术的发展，矮杆基因及矮化机理也逐渐被解析。但大部分豆类作物由于矮生资源较少和分子操作难度较大等原因，其相关的研究目前还不深入。本项目拟以豆科模式植物蒺藜苜蓿为研究对象，通过筛选蒺藜苜蓿的烟草逆转座子Tnt1插入突变体库，分离得到矮化突变体材料。随后采用基因组重测序并结合图位克隆等方法获取其中致矮的关键基因。通过详细分析这些基因的功能，并寻找其调控的相关基因及其编码蛋白的互作因子，逐步深入地解析蒺藜苜蓿株高性状的遗传特性与分子调节机理，为苜蓿及其它豆类作物的矮化育种研究提供一定的理论依据。

株高是作物重要的农艺性状，对其生长和生产至关重要。主茎过高容易引起作物倒伏以致减产，较矮的主茎抗倒能力更强有利于稳产高产。目前，主要的粮食作物和经济作物均选育了大量矮杆品种，其中的矮杆基因及致矮机理也被深入解析。豆科的油料作物、牧草作物和蔬菜作物等由于矮化资源较少和分子、遗传操作难度大等原因，相关的研究目前还未广泛开展。本项目以豆科模式植物蒺藜苜蓿为研究对象，在其丰富的突变体库中筛选矮化材料随后结合高效的遗传转化体系进行遗传、分子、生理生化等操作来研究豆科植物株高的发育机制。通过全基因组重测序和转座子插入算法，我们克隆到5个致矮基因，包括：DIB1（编码赤霉素生物合成过程中重要的氧化酶GA3ox1）、MNP1（编码催化赤霉素生物合成通路第一步反应的古巴基焦磷酸合酶CPS）、MtDnaJA7（编码一个包含DnaJ结构域的分子伴侣）、CLL1（编码一个豆科中没有深入研究的激酶）和LLS1（编码参与生长素合成的黄素单加氧酶YUCCA1）。DIB1和MNP1基因直接调节内源赤霉素的生物合成，通过影响细胞伸长决定主茎发育；两个突变体均表现出极端矮化表型，外源施加赤霉素可以部分恢复其表型缺陷。MtDnaJA7、CLL1和LLS1缺陷均造成半矮化株高，但具体的致矮机理需要进一步深入挖掘。本项目通过蒺藜苜蓿的研究，进一步明确了“绿色革命”相关的植物激素赤霉素对调节作物株高的重要性，对豆科作物后续的株高性状改良提供了备选的基因资源。同时，进一步了解更多的致矮基因如MtDnaJA7和CLL1的功能，也会为豆类作物的矮化育种研究提供一定的理论依据。