褪黑素对逆境下柳枝稷生长及分子调控网络初步解析

Switchgrass (Panicum virgatum L.) has been increasingly recognized as an important dedicated perennial bioenergy crop. A major goal for this plant is to strengthen its resistances in unfavorable conditions through metabolic engineering. Melatonin is a well-known bioactive molecule with an array of health-promoting properties, e.g. potent antioxidant capability. It’s valuable to detect the physiological function of melatonin in transgenic switchgrass of overexpressing and inhibiting the homologous AANAT and HIOMT genes, which are responsible for the last two steps in melatonin synthesis. The Agrobacterium-mediated gene transformation and RNAi technique are applied to generate the transgenic plants. Drought, cold and salt stress experiments are conducted to explore physiological regulation mechanism of melatonin in transgenic switchgrass. Transcriptome expression profiling is obtained by high-throughput sequencing (RNA-seq) to excavate melatonin synthesis and metabolism related genes and preliminarily analyze the molecular regulatory networks for melatonin metabolism in plant under stresses. This study would provide foundation for further researches on molecular mechanism of melatonin, as well as effective methods for switchgrass breeding.

柳枝稷是纤维素乙醇转化的模式植物，是最具发展潜力的能源植物之一。环境相对恶劣的边际土地存在干旱、盐碱、贫瘠等综合问题，故逆境下柳枝稷的适应性研究备受关注。褪黑素是具有重要生理功能的多效应分子，其作为高效活性氧清除剂在植物应对逆境胁迫中可能发挥重要作用。目前褪黑素研究多集中于动物，植物中相关研究正日渐兴起。本项目以柳枝稷为材料，针对褪黑素合成途径中2个关键酶基因AANAT和HIOMT，应用农杆菌介导的转基因技术和RNAi技术分别完成过表达和基因沉默，对转基因植株进行干旱、低温和盐胁迫处理，探索褪黑素对植物应答逆境胁迫的作用机制；通过高通量测序获得转基因柳枝稷转录组表达谱，挖掘褪黑素合成及代谢相关功能基因，初步解析褪黑素在植物抗逆生理代谢的分子调控网络，旨在为褪黑素这种新型抗逆调节物质的应用提供理论依据，亦为能源草优良品种选育提供新途径。

在动物体内，褪黑素是一种参与昼夜节律，具有清除自由基、提高机体免疫力、延缓衰老等多效作用的激素。而在高等植物中褪黑素也普遍存在，能提高植物的抗逆性、生物量和品质，但其机理还不是特别清楚。柳枝稷作为一种能源植物主要种植在土地营养、水分供给和人工照管较差的边际土地，因此需要培育生物量大、抗逆性强的柳枝稷新种质。本研究以柳枝稷为研究对象，以盐等胁迫下内源褪黑素对柳枝稷的影响为研究主线，转oAANAT和oHIOMT基因提高其褪黑素含量，发现褪黑素的增加可以极大的提高柳枝稷逆境环境下的生理状况。通过对盐胁迫下转基因柳枝稷进行转录组和代谢组的测序研究，初步筛选出褪黑素与逆境胁迫最有相关性的代谢通路NHX，鉴定到光合作用通路、类黄酮合成通路中对植物生长发育十分重要的基因。其中光合作用通路有利于提高柳枝稷田间产量，发现提高柳枝稷褪黑素含量后通过上调APL3，SL1和FT1等开花相关基因，且影响受光周期调控的基因FT1和CO等调控花器官的形成和促进开花，有助于增进对多年生草本植物开花机制的研究，进而调控生物量的变化，达到丰产的目的。类黄酮的合成有助于提高牧草的品质，进一步在类黄酮含量较高的紫花苜蓿中进行褪黑素合成的相关研究。此外，共获得8个不同基因的转基因植株，稳定高抗转基因植株317株 ，其中oA、oH和PP进入农业部中间试验阶段。有望在不久后获得转基因柳枝稷新品种，创造优良种质。顺利完成预期研究计划、并获得相应研究成果，完成课题。