生长素响应转录因子DsIAA21调控巨龙竹秆型分化的分子机制研究

Dendrocalamus sinicus Chia et J. L. Sun is a rare species of giant woody sympodial bamboo endemic to China, and is the tallest known woody bamboo species in the world. D. sinicus is an excellent germplasm resource for breeding large industrial timber in tropical areas of southern China. There are mainly two kinds of stable variant of the straight-culm and bending-culm in original distribution zone. And the genetic regulation of the culm-shape differentiation is the key factor to limit utilization and breeding of D. sinicus. Applicant's preliminary study found that DsIAA21, an early auxin responsive transcription factor, may play an important role because of special structure, high expression and large gene expression pattern difference between the two variants in the development process..In this study, we will analyze temporal and spatial distribution of DsIAA21 and differentially expressed Aux/IAAs between two variants response to auxin in D. sinicus, observe auxin disturbance by different motif of DsIAA21 in transgenic Arabidopsis for revealing the mechanism of DsIAA21 involved in auxin signaling regulation of culm-shape differentiation in D. sinicus. The results will elucidate preliminary the regulation mechanism of DsIAA21 in culm-shape differentiation of D. sinicus, and also display how the structural elements in the DsIAA21 determine its function in auxin perception and transcriptional repression, enriching the research contents of plant Aux/IAA family.

巨龙竹是我国特有珍稀竹种，为目前世界已知最高大的竹种，是我国南部热区培育特大型工业用材的优异种质资源之一。巨龙竹秆形在自然分布区存在“通直型”和“弯曲型”两种变型，这两种秆型分化的遗传调控是限制巨龙竹资源利用和良种选育的关键因素。申请人前期研究发现生长素早期响应基因DsIAA21编码的转录因子结构特殊、表达量丰富、在不同秆型巨龙竹发育过程中表达模式差异大，可能在巨龙竹秆型分化中起重要调控作用。.本项目通过分析巨龙竹中DsIAA21基因的时空分布、不同秆型巨龙竹间差异表达Aux/IAA基因对生长素响应的水平和差异，结合拟南芥中不同效应基序作用下DsIAA21基因对拟南芥生长素动态平衡干扰的效应，来揭示DsIAA21参与巨龙竹秆型分化调控的机制。研究结果还可明确转录因子DsIAA21的不同保守结构域如何影响它在生长素感知和转录抑制中的功能，丰富了植物Aux/IAA家族研究的内容。

巨龙竹是我国特有珍稀竹种，为目前世界已知最高大的竹种，是我国南部热区培育特大型工业用材的优异种质资源之一。巨龙竹秆形在自然分布区存在“通直型”和“弯曲型”两种变型，这两种秆型分化的遗传调控是限制巨龙竹资源利用和良种选育的关键因素。前期的研究发现DsIAA21结构特殊、表达量丰富、在不同变型间表达模式差异大，可能在巨龙竹秆型分化中起重要作用。本项目通过分析巨龙竹中DsIAA21基因时空分布及Aux/IAA基因对生长素的响应，结合烟草中不同效应基序的作用下DsIAA21基因对烟草生长素信号的影响、筛选与DsIAA21互作的ARF蛋白，来揭示DsIAA21基因参与巨龙竹秆型分化调控的机制。. 通过Aux/IAA基因家族鉴定及表达分析，确认巨龙竹中不存在与DsIAA21基因功能冗余的Aux/IAA基因。利用qRT-PCR技术和组织原位杂交技术，检测DsIAA21在通直型和弯曲型巨龙竹内侧和外侧笋基部的空间分布和表达水平差异，DsIAA21在两种秆形间、弯曲型茎秆形态学内侧和外侧间都具有差异，暗示不同秆形的形成既同基因本身差异有关，也与不同部位的表达水平有关。NAA处理后弯曲型巨龙竹DsIAA21的表达被快速诱导，而在通直型中DsIAA21在笋发育后期受明显的抑制，其余在巨龙竹发育过程中差异表达的9个Aux/IAA基因在两种秆形巨龙竹中的表达也具有明显差异，但多数在通直型巨龙竹中都同DsIAA21一样受明显的抑制，弯曲型巨龙竹中Aux/IAA基因的调控更为复杂。从两种类型中分别分离了DsIAA21基因（sIAA21和bIAA21），对DsIAA21中的结构域I、i和II引入点突变确定不同结构域在转录抑制中的功能。结果显示，将野生型和突变型基因在烟草中过表达，sIAA21、bIAA21及突变基因都显著调节植物的形态和根系发育。结构域i突变后转基因植株细胞扩张和根系伸长受明显抑制；结构域II突变导致转基因烟草株形矮小。通过酵母双杂交确定了烟草中ARF5与DsIAA21互作，表明DsIAA21通过抑制ARF5抑制细胞扩张和根系伸长。以上结果说明DsIAA21作为茎秆发育的负调节因子发挥作用，sIAA21和bIAA21之间结构域i中的氨基酸差异影响植株对生长素的反应，在弯曲茎秆的形成中发挥重要作用。