LA1和TAC1基因调控狗牙根株型的分子机理研究

Molecular regulation mechanism of plant architecture formation is one of the basic scientific questions of plant growth and development research with important theoretical significance and application value. Cynodon dactylon is an important warm-season turfgrass. The different wild germplasms and cultivars of Cynodon dactylon have diverse plant architecture characteristic, reflected as different erect stem and stolon ratio, which makes the Cynodon dactylon an excellent plant material to study the plant architecture regulation. Previous studies have revealed that two antagonistic tiller angle control genes LA1 and TAC1 are differentially expressed in Cynodon dactylon cultivars with different plant architectures. In this research, we intend to systematically investigate the mechanism of the two genes in regulating the plant architecture of Cynodon dactylon, including the following three parts: confirmation of the architecture regulating function of the two genes, exploration of the unknown proteins interacting with the encoding proteins of LA1 and TAC1 genes and functional analyses of the interacting proteins to elucidate the biochemical mechanism of the LA1 and TAC1 genes in regulating plant architecture, in-depth analyses of the tissue distribution characteristic, hormone-, temperature- and light-induced expression variance of the two genes, and identification of the key cis-regulatory promoter elements and methylation sites involved in the transcriptional regulation of the two genes. Results of this study will not only extend our understanding of the complex mechanism of plant architecture regulation, but also provide solid theoretical foundation for architecture modification-based breeding of high-quality Cynodon dactylon cultivars.

株型形成的分子调控机制是植物生长发育研究的一个基本科学问题，具有重要的理论意义与应用价值。狗牙根是一种重要的暖季型草坪草和牧草，其不同种源材料和品种具有不同的株型特征，体现为不同的直立茎和匍匐茎比例，是研究植物株型调控的独特材料。前期研究发现两个功能相反的分蘖角度调控基因LA1和TAC1在株型迥异狗牙根品种中具有不同的表达丰度。本研究拟进一步对这两个基因调控狗牙根株型的分子机理展开系统深入研究，主要包括以下三部分研究内容：验证两个基因调控株型和生长素运输的生理功能；探寻与两个基因编码蛋白互作的蛋白并对其功能进行分析，阐明两个基因调控狗牙根株型的生化机制；分析两个基因在两个株型迥异品种的组织表达特征和激素、光照、温度诱导表达特性，鉴定调控两个基因表达的关键启动子元件和甲基化位点。项目研究结果不仅能进一步拓展人们对植物株型调控的认识，也将为基于株型改良的优质狗牙根育种提供重要的理论依据。

狗牙根是重要的暖季型草坪草，同时具有直立茎和匍匐茎，这一株型特征是其快速成坪且具有优良抗逆性的基础，然而迄今为止狗牙根特异株型形成的原因仍不甚清楚。本研究发现狗牙根茎生长角度调控保守基因CdLA1和CdTAC1基因具有相反的表达特异性，两个基因的表达受到多个激素的诱导，但是都对生长素不敏感。CdLA1基因过量表达能够引起生长素极性运输的改变进而导致株型的变化。酵母双杂交筛选和BIFC双分子荧光互补分析则显示CdLA1可以和CdCIPK蛋白激酶互作，提示其可能通过调控PIN等生长素运输相关蛋白的磷酸化发挥作用。对狗牙根不同株型种源材料的转录组分析发现不同种源材料可以通过调控特定代谢途径基因的表达影响木质素合成等生理过程进而形成不同的株型特征，CdLA1和CdTAC1基因在这些种源材料中具有不同的表达特征。狗牙根直立茎和匍匐茎比较蛋白质组学分析则显示直立茎和匍匐茎中蔗糖代谢和淀粉合成积累存在显著差异，淀粉积累越多的狗牙根匍匐性越强。蛋白可逆磷酸化在狗牙根匍匐茎匍匐生长和淀粉积累中有着重要作用，质谱分析鉴定到狗牙根匍匐茎中有485个磷酸化蛋白，多个磷酸化蛋白具有狗牙根特异的磷酸化氨基酸保守结构域。三代全长转录组测序则进一步揭示了狗牙根相比其他草种的独特生化代谢特征。本研究还分析了分蘖负调控基因CdTB1在不同狗牙根种源材料中的序列变异情况，结果显示启动子区域一个335bp插入突变能够显著增加CdTB1基因的表达进而抑制分蘖。研究结果初步阐明了CdLA1、CdTAC1、CdTB1等基因参与狗牙根株型调控的分子机制，揭示了狗牙根直立茎和匍匐茎在转录组和蛋白质组水平的差异，为理想株型狗牙根等草坪草分子育种提供了重要的理论依据和实践基础。