大豆中编码PIP结构域的GmIDL基因在侧根发育中的功能研究

Soybean，with poorly developed lateral roots，belongs to tap root system. This architecture limits nutrient uptake and utilization which leads to floral organ abscission, and finally influences soybean yield. Through analyzing the transcriptome and soybean genome, we have predicted thirteen PIP coding genes, four of which were expressed in soybean roots by RT-PCR analysis. In this research, the expression patterns of these four root-expressed GmIDL promoters will be further analysis by expressing promoter::GUS fusion vectors. Following, an over-expression and an RNAi vector of these genes will be constructed and transformed into soybean hairy roots by Agrobacterium rhizogenes-mediate transformation. Further, the detailed functions of root-expressed GmIDL genes in soybean lateral root development will be explored in morphology, histology and cytology levels. Finally, we induce hairy roots from hypocotyls by Agrobacterium rhizogenes to evaluate the effects of these genes in floral organ abscission when root architectures are improved. This project will provide theoretical foundation and a new way for soybean yield increment.

大豆属直根系作物，侧根不发达，从而影响养分的吸收和利用导致落花、落荚, 最终影响大豆的产量。通过转录组和基因组学分析，在大豆全基因组中预测了13个编码PIP结构域的GmIDL基因，RT-PCR分析筛选到4个在根中表达的GmIDL基因。本研究中，采用启动子连接GUS的方法对4个GmIDL基因启动子的表达模式进行进一步分析。通过构建超表达和RNA干扰载体，以发根农杆菌转入毛状根中，从形态、组织和细胞三个水平对GmIDL基因的功能作详细分析，最终明确不同GmIDL基因在大豆侧根发育中的功能。最后采用实生苗接种发根农杆菌产生毛状根的方法初步评估根系发育得到改善后对大豆落花、落荚和产量的影响。本项目将为大豆分子育种提供理论依据，为大豆增产提供新的思路和方法。

大豆（Glycine max）属豆科一年生草本植物，原产我国，世界各地均有栽培，是世界范围内最重要的油料和饲料作物之一。但是与水稻、玉米等粮食作物相比，大豆的产量仍然偏低。造成大豆产量低的原因除了其自身的物种特性外，大豆花器官和果荚的生理性脱落是影响产量的重要因素。大豆进入花期以后需要大量的养分供给，以完成花的发育、授精作用以及种子的发育，但大豆属直根系作物，侧根不发达，从而限制了大豆的养分吸收。因此，养分供给受限是造成大豆落花、落荚最为重要的因素。本项目在原有的根发育转录组测序分析的基础上，探究GmIDL类基因在大豆侧根发育中的功能。研究结果表明，大豆基因组中共编码12个具有PIP功能结构域的GmIDL基因。生物信息学分析发现，12个GmIDL聚为三支，其中GmIDL1-4、GmIDL5-8、GmIDL9-12亲缘关系较近。表达模式分析结果表明，在这12个GmIDL中GmIDL3、GmIDL4和GmIDL7在根中表达，GmIDL3和GmIDL7的表达量最高。GmIDL基因的表达受到IAA的诱导而上调。超表达GmIDL3和GmIDL7后发现，发根早期毛状根侧根数增加。随着发育的进行，对照和超表达毛状根数量差异不大，表明超表达GmIDL不影响侧根原基的形成，而是使得侧根发生更加容易。组织切片结果显示，超表达GmIDL后毛状根侧根穿透各细胞层处细胞更加松散，更有利于侧根突出主根各细胞层。超表达株系中果胶酶等基因的表达量明显上调，表明GmIDL参与的信号途径调控根系细胞壁中酶基因的表达，使细胞壁更加松散而有利于侧根穿透主根。本项目的开展将对大豆侧根发育机制研究和大豆分子育种奠定一定基础，为大豆根系改良基因工程提供了基因资源。