冬小麦JA信号转导途径关键基因COI1、MYC2响应低温胁迫的分子机制

Plant hormone is an important signal molecular, and play a key role to responses to abiotic stresses. Recent study revealed that plant hormones interaction with low temperature. “Dongnongdongmai1” is a cultivated winter wheat which can endure cold temperature as low as -30℃ with a reviving rate of 85%，it’s the first variety which can overwintering in alpine region of “Heilongjiang” province, is the rarely material to resistance to freezing. We constructed the micRNA library which winter wheat roots(tillering node) under low temperature, analysis the KEGG of its target gene showed that the key genes COI1, MYC2 of jasmonic acid (JA) signal transduction pathways changed significantly, indicating that JA involved in responsing low temperature stress. The frost-tolerant wheat cultivar “Dongnongdongmai1” selected for this study, sampling tillering node under condition of differential temperature such as 5, 0, -10, and -25℃ in the field, we measured COI1 and MYC2 gene cloning、bioinformatics analysis、forecast and subcellular localization，construct the overexpression vector and knockout vector(use the CRISPR-Cas9 technology) ，then genetic transformation model plant Arabidopsis thaliana（or Brachypodium distachyon ) and wheat to obtain transgenic plants, detecting physiological indexes response to cold after low temperature treatment and verifying the gene function of COI1 and MYC2 to indicate the molecular mechanism of COI1 and MYC2 gene response cold, which can provide the theory and production basis for the research of hormone regulate winter wheat interact with cold.

植物激素是重要的信号分子，在非生物胁迫中起重要的作用。近期研究发现，低温与植物激素存在交互作用。东农冬麦1号是首例能在黑龙江省高寒地区安全越冬的冬小麦品种（可耐受-30℃低温），返青率大于85%，是抗寒研究的珍贵材料。我们前期构建了低温胁迫下冬小麦根茎（分蘖节）的micRNA库，对其靶基因的KEGG分析显示茉莉酸（JA）信号转导途径的关键基因COI1、MYC2变化明显，表明JA可能参与冬小麦对低温胁迫的应答。本研究以东农冬麦1号为材料，在大田自然降温条件下，分别于5℃、0℃、-10℃、-25℃取样根茎，克隆COI1、MYC2基因，生物信息学分析、预测及亚细胞定位，构建过表达载体和基因敲除载体（CRISPR-Cas9技术构建），遗传转化模式植物拟南芥（或二穗短柄草）及小麦，获得转基因植株，低温胁迫后检测其抗寒生理指标，验证COI1、MYC2基因的功能，揭示COI1、MYC2在冬小麦响应低温胁迫下的分子机制。

小麦是中国第三大粮食作物，低温严重地限制着全世界农作物的分布及产量。“东农冬麦1号（Dn1）”是强抗寒性冬小麦品种。植物激素茉莉酸（JA）作为一种信号分子，参与非生物（低温）胁迫。本项目以强抗寒性冬小麦品种Dn1为材料，适宜浓度JA处理后，大田自然降温(5℃、0℃、-10℃和-25℃)条件下取样分蘖节和叶片，综合运用生理生化、分子生物学、生物信息学和遗传学等方法，探讨JA调控冬小麦应答低温胁迫的机制。（1）研究不同浓度外源MeJA对Dn1抗寒生理（相对电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、抗氧化酶SOD、POD、CAT活性）的影响，确定JA作用的最佳浓度为1.0m M；（2）研究外源MeJA对冬小麦叶片及分蘖节中JA响应基因PDF1.2及JA信号转导途径关键基因COI1、MYC2、JAZ7表达量的变化；（3）外源MeJA对JA合成基因（LOX1、LOX2、LOX3、AOC、AOS、OPR2）表达量的影响；（4）外源MeJA对冷响应基因TaICE41及Wcor14、Wcor15、Wcor18、Wcor413表达量的影响；（5）对TaCOI1、TaMYC2、TaICE41蛋白质进行生物信息学分析及亚细胞定位预测；（6）克隆TaCOI1、TaMYC2及TaICE41基因，构建过表达载体并遗传转化拟南芥，对转基因T3代植株进行抗寒生理（存活率、相对电导率、脯氨酸含量）和拟南芥冷应答基因（AtCOR15A、AtCOR47、AtKIN1和AtRD29A）的表达量鉴定，揭示TaCOI1、TaMYC2及TaICE41基因在冬小麦Dn1响应抗寒中的作用机制；（7）采用Crispr/Cas9技术编辑Dn1 MYC2 基因，对MYC2基因功能进行验证；（8）体外酵母双杂法验证TaMYC2、TaICE41和TaJAZ7存在蛋白质互作。本研究旨在揭示激素JA调控冬小麦抗寒分子机制，为激素调控植物的抗寒性提供理论基础和生产依据。项目资助发表论文共8篇，其中SCI收录4篇、中文核心期刊4篇。培养研究生8人，其中已毕业3人，在研5人。