细胞分裂素双元信号转导系统调控茭白孕茭的分子机理

Jiaobai (Zizania latifolia ) with its typical swollen stem induced by the fungus Ustilago esculenta is an aquatic vegetable popular in China, with a rapidly increasing market share. The mechanism for Jiaobai’s shoot swelling is still largely unknown. Preliminary evidence shows cytokinins (CTKs), either produced by the plant or fungus, may play a key role in stimulating cell division in the shoot apex, resulting in shoot thickening. Firstly, we will analyze the effect of different exogenous CTKs on Jiaobai swelling, analyse the endogenous cytokinin content in terms of composition, concentration and tissue distribution in infected and virgin shoots. Secondly, the role of CTKs produced by the fungus will be tested by overexpressing cytokinin oxidase in Ustilago esculenta to reduce endogenous CTK levels. Thirdly, we seek to identify CTK signal genes related to swelling using transcriptome analysis upon RNA sequencing, and characterize the function of candidates through complementation of Arabidopsis mutants, yeast two-hybrid assays and in situ hybridization. This project will help us to understand the mechanism by which CTKs stimulate Jiaobai swelling, enabling improved molecular breeding and culture conditions for Jiaobai production.

茭白作为我国的特色水生蔬菜，产业种植发展迅速，但目前对其孕茭机理仍然知之甚少。申请人在前期研究基础上，提出由黑粉菌或茭白产生的细胞分裂素（CTKs）可能是激发茭白茎尖分生组织细胞分裂，进而引起其地上茎膨大的关键因素。本项目拟分析外源喷施不同CTK对茭白膨大的影响；分析茭白中CTK的类型、含量与组织分布的动态变化同茭白膨大的关系；通过过量表达细胞分裂素氧化酶基因Ckx，降低侵染茭白黑粉菌内源CTK的含量，来确定黑粉菌分泌的CTK在茭白膨大过程中的作用；利用转录组测序筛选调控茭白膨大的CTK信号基因，通过拟南芥突变体遗传转化及表型分析、酵母双杂交、基因原位杂交等手段对相关基因进行功能验证，从而阐明CTK及其信号转导影响茭白成茭的机理，为未来茭白的生产与分子育种奠定理论与实践基础。

茭白膨大是其与黑粉菌共生的结果，它的孕茭与膨大决定了茭白的采收期和产量。前期研究表明，黑粉菌或茭白产生的细胞分裂素（CTK）可能是激发茭白茎尖组织细胞分裂与生长，引起膨大的关键因素。为了揭示CTK及其信号转导影响茭白膨大的机理，我们在以下方面开展了研究：（1）茭白生长周期与膨大的关系；（2）喷施不同类型CTK对茭白孕茭与膨大的影响；（3）在组织、细胞与基因水平分析细胞周期对茭白膨大过程的影响；（4）茎尖中CTK代谢与茭白膨大的关系；（5）改变黑粉菌分泌CTK对茭白孕茭的影响；（6）分离鉴定茭白双元信号系统（TCS）基因；（7）筛选与茭白膨大相关的TCS关键基因并进行功能解析。本研究取得了下列结果：（1）对茭白生长周期与膨大期的关系进行了界定；（2）异戊二烯类和芳香类CTK都可以促进茭白孕茭提高产量；（3）黑粉菌菌丝积累的囊腔周围细胞有丝分裂是促使茭白膨大的主要细胞来源，细胞周期因子ZlCycD5;1b参与了茭白膨大中的细胞周期调控，且该基因同时受细胞分裂素与生长素正向调控；（4）t-ZR和IPA是茭白膨大过程中主要细胞分裂素形态，而茭白茎尖可以通过其IPT基因表达产生细胞分裂素；（5）构建了CKX过表达菌株并侵染了茭白植株；（6）在茭白全基因组鉴定分析了TCS系统基因；（7）通过表达分析鉴定了受CTK调控且参与茭白膨大的TCS基因，原位杂交实验表明ZlHP7可以特异地在茎尖维管组织表达。相关研究为阐明CTK促进茭白的孕茭机理提供了数据基础。