小麦种子VP1/ABA分子调控网络与穗发芽抗性机理研究

VP1 plays a key role in ABA regulatory network, and participates in seed development, dormancy and preharvest sprouting tolerance. Wheat Vp1 gene loses its regulation function because of misspicing of pre-mRNA which is regarded as the main factor in wheat preharvest sprouting susceptibility. We have introduced a maize Vp1 gene with its own promoter into wheat and obtained stable heritable transgenic lines with strong preharvest sprouting tolerance. The results demonstrated for the first time that the exogenous Vp1 gene can compensate wheat Vp1 function. However, the regulation pattern of exogenous Vp1 gene in ABA regulatory network in wheat is not clear. The proposed study will investigate the differences of transcriptome, proteome and metabolomics between Vp1 transgenic lines and non-transgenic control during seed development and under ABA treatment of excised embryos by micorarray, two-dimensional electrophoresis and nuclear magnetic resonance analysis. Combination of these data will identify the main genes, metabolite patnways and key nodes in VP1/ABA signaling network.The genes at the main nodes will be verified by qRT-PCR and Arabidopsis thaliana mutants. When the study is completed, the regulatory network and pattern of VP1/ABA as well as the relationship of the regulatory network with seed development and preharvest sprouting tolerance will be elucidated at molecular level. On that basis, proper regulation of wheat seed development and preharvest sprouting tolerance will be made possible, and then candidate genes will be provided for breeding wheat varieties with improved preharvest sprouting tolerance.

脱落酸(ABA)在种子发育过程中形成复杂的调控网络，VP1处于其中的核心位置，参与调控种子发育、休眠和穗发芽抗性。小麦Vp1基因转录本错拼而丧失调控功能，导致小麦容易发生穗发芽。我们首次将玉米Vp1基因及其调控序列导入小麦，获得了稳定遗传的高抗穗发芽转基因小麦品系，证实外源Vp1基因可以补偿小麦的功能。但外源Vp1基因参与ABA调控网络的机制并不清楚。本研究以小麦基因芯片、双向电泳和核磁共振技术分析发育过程中以及在ABA处理下转基因品系与未转化对照间小麦胚在转录组、蛋白质组和代谢组上的差异，鉴定受Vp1调控的基因和代谢途径，鉴别VP1/ABA调控网络的主要节点；结合qRT-PCR和拟南芥突变体验证关键节点上基因的功能。本项目的完成，将从分子水平揭示VP1/ABA调控网络及其与小麦种子发育和穗发芽抗性的内在联系，为精确调控小麦种子发育和穗发芽抗性奠定理论基础，为培育小麦抗性品种提供候选基因。

小麦穗发芽是一个全球性的灾害，每年造成10%的损失，还降低面粉品质，严重危害小麦生产。脱落酸(ABA)在种子发育过程中形成复杂的调控网络，VP1 处于其中的核心位置，参与调控种子发育、休眠和穗发芽抗性。小麦Vp1基因转录本错拼而丧失调控功能，导致小麦容易发生穗发芽。我们首次将玉米Vp1基因及其调控序列导入小麦，获得了稳定遗传的高抗穗发芽转基因小麦品系，证实外源Vp1基因可以补偿小麦的功能。但外源Vp1基因参与 ABA 调控网络的机制并不清楚。.本研究通过分析发育过程中转Vp1基因品系与野生型对照间小麦种子在转录组、蛋白质组和代谢组上的差异，鉴定了受Vp1调控的基因和代谢途径，鉴别了VP1/ABA 调控网络的主要节点。结果如下：.在小麦种子发育过程中，VP1/ABA改变了约1%~8.5%的检测基因的表达，显示其在种子发育的不同时期，对大量的基因进行了调控。分析这些差异基因表明，VP1/ABA提高了ABA合成，受体和信号传递通道中的正向调控因子基因的表达。同时，VP1/ABA改变了生长素，细胞分裂素和赤霉素等植物激素的合成及信号传递通道的多个路径基因的表达，表明VP1/ABA与种子中其它植物激素间存在交互作用，共同调控小麦种子的发育。蛋白磷酸化和脱磷酸化调节蛋白磷酸化水平，从而改变蛋白的活性，可能是VP1/ABA调控转录因子的活性，进而调控下游基因表达的重要方式。VP1/ABA调控导致小麦种子发育后期Inositol含量提高，以及PLC基因表达上调，表明IP3可能是VP1/ABA调控网络中的一个重要节点。在转Vp1基因小麦中，NAC转录因子在小麦种子发育早期表达量下调，后期上调，表现出与种子成熟进程中干化脱水过程的一致性，可能是调控小麦种子干化脱水相关基因表达的重要节点。过量表达NAC基因，提高了小麦幼苗对ABA的敏感性和抗旱能力，证明了NAC在VP1/ABA调控中对干化的调节作用。抑制Cyp707A1基因的表达，小麦种子中ABA含量有所提高，种子休眠延长，表明Cyp707A1基因是小麦种子中ABA代谢的重要基因。.以上结果从分子水平揭示 VP1/ABA 调控网络及其与小麦种子发育和穗发芽抗性的内在联系，为精确调控小麦种子发育和穗发芽抗性奠定了理论基础，为培育小麦抗性品种提供了候选基因。.