茉莉酸信号在玉米雄穗性别决定中的作用机制研究

The recent studies of maize tasselseed mutant ts1 and JA biosynthesis mutant opr7/8 have shown that JA is a required signal for sex determination of maize tassel (Yan et al., 2012). However, the molecular mechanism of JA action in the masculinization process of maize meristem is not clear. This grant application aims to clarify the roles of JA signaling in male sex determination in maize, using tasselseed mutant ts2 and RNAi-COI1 (or gRNA-targeted COI1). The objects includes: 1) clarify if the initial step of JA-signaling, in which JA converted into JA-derivatives and a couple of them can be identified as a JA-signaling ligand, is crucial for tassel development in maize. The JA-derivatives in ts2 mutant will be profiled in this project to identify a JA-derivative as a bioactive ligand; 2) clarify the physiological function of TS2, which is hypothesized as an enzyme or associated protein for JA derivation; 3)clarify if COI1-dependent signaling via SCF(COI)-JAZ comlex is an essential signaling pathway for male sex determination. For this object the RNAi-COI1 (or gRNA-targeted COI1) transformats will be created. If RNAi-COI1 (or gRNA-targeted COI1) shows tasselseed phenotype, it means maize sex determination depends on COI1-dependent JA-signaling. If RNAi-COI1 (or gRNA-targeted COI1) does not show tasselseed phenotype, it mean maize sex determination is a COI1-independent process.

玉米雄穗雌性化突变体ts1的研究和最近我们对opr7/8的研究结果一致表明，茉莉酸(JA)是玉米雄穗发育必须的信号分子、对雄穗的性别决定起关键作用(Yan et al., 2012)，但JA在这一重要过程中的作用机制不清楚，未见相关报道。本项目拟利用雄穗雌性化突变体ts2和RNAi-COI1 (或者CRISPR-Cas9 gRNA-targeted COI1) 转基因植物来探索JA信号传导的哪个环节在玉米雄穗性别决定中起关键作用。主要研究：1）JA信号传导的起始环节，即JA被合成后转化为什么样的衍生物（JA-X）作为信号传导的活性配体在性别决定中起关键作用。拟通过剖析ts2突变体的JA衍生物来探明这个未知的配体JA-X；2）TS2基因的功能，即TS2是否是形成JA-X的酶或者相关蛋白；3）创建RNAi-COI1或gRNA-targeted COI1转基因植物，探索COI1基因是否是玉米雄穗性别决定的重要基因，阐明JA-X信号经过或非经过SCF(COI1)-JAZ复合体在玉米性别决定过程中发挥作用。

玉米是典型的单性花植物，其单性花原基的性别决定一直是植物学研究的重要主题。激素调控在玉米的性别决定中起关键作用。早期的研究认为GA是玉米花序两性原基雌性化的关键信号分子，即GA在玉米性别决定中起雌激素的作用。Acosta等（2009）对突变体ts1的研究和我们前期对opr7opr8的研究结果表明，JA是玉米雄穗发育必须的信号分子、对雄穗的性别决定起关键作用，但JA在这一重要过程中的作用机制不清楚。本项目旨在探索JA信号传导的哪个步骤在玉米雄穗性别决定中起关键作用。主要研究内容：1）JA信号传导的起始环节，即JA被合成后转化为未知的衍生物JA-X作为信号传导的活性配体在性别决定中起关键作用；2）TS2基因的功能，即TS2是否是形成JA-X的酶或者相关蛋白；3）创建RNAi-COI1转基因植物，探索COI1基因是否是玉米雄穗性别决定的重要基因，阐明JA信号传导在性别决定中发挥的作用。四年来研究工作主要通过分析ts2突变体的代谢物和RNAi干扰ZmCOI1s两个研究途径来做，完成了既定的研究内容，取得了重要的研究结果：1）TS2在茎尖中的表达高度依赖于茎尖JA水平；2）ts2突变体的茎尖中JA含量不降低，但JA-lle、ABA含量极显著下降，说明TS2调控JA-lle和ABA的合成。未知的JA-X就是JA的生理活性形式JA-lle；3）TS2的生理功能：最近的结果表明TS2不是形成JA-lle的酶类，但调节JA-lle、ABA的生物合成促进雄穗性别决定过程。4）针对玉米4个COI1基因进行了RNAi干扰，转基因植物表现对昆虫的抗性下降，但所有转基因株系都不出现ts性状，说明转基因植株中ZmCOI1s的表达下降并未影响性别决定过程。本研究的结果表明JA-lle、ABA等激素信号是玉米雄穗性别决定的关键信号。本项目的研究成果对于加深对玉米性别决定的认识具有重要的理论和实践意义。