突变引起白桦叶片早衰的分子机制研究

Senescence is the final stage of plant development, which primarily occurs on leaves, and always accompanied by disintegration of chloroplast, decrease of photosynthesis, reduction of nucleic acid, protein and lipids. Leaf senescence is critical for fitness of plants as nutrient relocation from leaves to reproducing seeds is achieved through this process. Thus, postponement of plant senescence is an effective way to increase biomass of plant. In our prior study, we obtained a mutant caused by T-DNA insertion. This mutant shows a premature senescence phenotype. In this study, we will identify the insertion sites of T-DNA for this mutant using TAIL-PCR method, and clone the flanking genes of these insertion sites. We will overexpress and suppress these genes using agrobacterium mediated transformation to investigate the functions of these genes. In addition, we will clone the promoters of these genes, and use yeast one-hybrid to identify trans-acting factors of these genes. All of these results will be useful to unveil the molecular mechanism underlying plant senescence and lay the foundation for molecular breeding of birch.

衰老是植物整个生长发育过程中的最终结果，属于正常现象。植物衰老最先出现在叶片，通常伴随着叶绿体解体、光合作用减弱、核酸、蛋白质和脂质水平降低等变化。叶片早衰，必将影响植物生长及种子形成过程中的糖类累积，进而影响种子产量。因此，延缓叶片衰老进程，是增加植物生物量及产量的有效途径。本项目以T-DNA插入引起的白桦叶片早衰突变体为研究对象，通过TAIL-PCR技术确定突变位点并获得引起突变的候选基因，进而克隆候选基因的启动子序列，开展候选基因表达模式研究；采用酵母单杂交系统，鉴定与候选基因启动子顺式作用元件相互作的调控因子；采用农杆菌介导法进行候选基因在野生型白桦中的过表达、抑制表达及基因敲除的遗传转化，揭示候选基因的功能，探讨引起白桦叶片早衰的分子机制，找到延缓叶片衰老的关键基因，为通过基因工程育种技术提高白桦的材积生长量奠定基础。

林木叶片衰老进程的延缓，是增加生物量及木材产量的有效途径。本研究团队以白桦转基因叶片早衰突变体（lmd）、正常转基因株系（CK）以及野生型（WT）为研究对象。首先，通过重测序、TAIL-PCR等方法确定突变体是由于T-DNA插入到BpEIN3基因（转录因子基因）上游的598bp启动子区，而引起基因突变（Bpein3）。定量PCR表明，lmd突变体中BpEIN3基因的相对表达量显著低于2个对照株系，说明T-DNA插入不但引起了该基因突变，同时下调了基因表达量。该基因过表达及抑制表达的功能研究表明，在抑制表达株系中出现了类病斑早衰表型，进一步说明降低该基因表达量可引起叶片早衰。在光照、遮光以及激素处理下，分析了RNA-Seq表达模式，并结合DAP-Seq、BiFC技术，开展了BpEIN3.1调控下游靶基因的研究，确定白桦基因BpEIN3.1导致叶片衰老需要光照诱导，在光照下BpEIN3.1作为关键转录因子参与白桦细胞质中的硫代谢途径，当其表达量降低时，其负调控的BpATPS1上调表达，受BpATPS1调控的硫代谢通路中乙烯生物合成途径活跃，产生大量乙烯进而诱导衰老基因响应，导致叶片衰老。本研究明确了控制叶片衰老的关键基因及分子调控机制，这对于创造林木优良新种质，提高木材产量及生物量具有重要的指导意义。