BIO和ELE调控豆科植物器官形态发育分子机理研究

Our previous study has shown that there are several pathways and key regulators that generate and superimpose various mechanisms in the control of floral organ shape and size during zygomorphic flower development in legumes. In our recent study, two key factors, BIG ORGANS (BIO) and ELEPHANT EAR-LIKE LEAF (ELE) were investigated in pea and Lotus japonicus, whose mutants display pleiotropic defects with predominant alteration of organ shape and size. Genetic analysis showed that BIO and ELE acted in same genetic pathway controlling organ development. BIO and ELE encode adaptor and transcriptional regulator respectively. Primary biochemical analysis showed that BIO physically interacted with ELE and other transcriptional regulators. In this project, we would prove that BIO recruits multiple regulators including ELE to form a transcriptional complex to regulate expression of downstream genes during organ development. Our research would shed light on the underlying molecular and biochemical mechanism controlling organ shape and size and further provides the molecular basis for genetic improvement on legume crops.

申请者所在的团队在研究两侧对称性花发育分子机理中，发现豆科植物存在多个调控花对称性发育的分子途径和重要因子，决定了花器官的形状和大小。本申请前期工作在豌豆等豆科模式植物克隆了调控器官形状和大小的两个重要基因BIO和ELE。遗传分析表明BIO和ELE相互作用，调控花瓣和叶等植物器官形态发育；其突变体对器官发育影响的多效性提示BIO和ELE处于决定器官形态发育遗传调控网络中的上游。对BIO和ELE基因序列分析表明：它们分别编码了接头因子和转录调控因子；初步的生化实验分析显示，BIO和ELE在蛋白质水平上有相互作用、它们还能与其他转录调控因子相互作用。本课题将对BIO和ELE的功能进行深入研究，试图证明BIO的功能涉及招募转录调控因子，形成BIO-ELE复合体调控下游基因表达，从基因组与蛋白质水平研究BIO和ELE决定豆科植物器官形状和大小的遗传调控网络及分子机理。

植物三维形态发育的分子机理研究一直是植物科学关注的研究领域，其中一个热点是探讨植物器官的形状和大小如何被决定。在模式植物（如拟南芥等）的研究表明，器官的形状和大小受到严谨的遗传调控，一些调控植物器官形态发育的因子和分子途径已被鉴定出来。为了研究豆科植物器官发育的生化机理，本课题组通过大规模诱变筛选，得到了影响器官发育的突变体：bigger organs(bio)、elephant ear-like leaf（ele）和lathyroides（lath）。发现bio突变体具有多效性：植物器官的形状与大小发生变化，叶片变大，褶皱不平向下卷曲；腹部与侧部花瓣形成对称型形态，花瓣变大；植株整体变大。ele突变体表型与bio突变体表型相同，突变体的植物器官如叶、花的形状与大小均发生改变，且整体植株也变大。提示BIO与ELE在调控植物器官发育的同一条途径中发挥作用。lath突变体表型与bio突变体表型相反，花瓣变成窄条状，且背部花瓣变化最明显，提示我们BIO可能与LATH在调控器官发育中发生了相互作用。由于BIO和ELE分别编码了含有KIX-like结构域的接头因子和PEAPOD (PPD)直系同源基因，提示我们BIO和ELE作为蛋白复合体的骨架，可能还招募了其他重要的调控因子参与器官发育：转录共抑制子和转录因子，从而调控下游靶基因的表达水平。同时BIO蛋白编码的EAR模指，提示我们BIO可能招募了TOPLESS参与表观遗传学调控。 本研究主要围绕BIO与ELE参与豆科植物器官发育的生化机理调控：1、证明BIO能与ELE形成转录复合体参与植物器官的发育；2、BIO能够招募其他转录因子，如TOPLESS、LATH等，一起参与植物器官（如叶等）的发育，调控下游基因的表达；3、证明ELE能够与其他转录因子，如LHP1（HETEROCHROMATIN PROTEIN 1）发生相互作用，从而进行表观遗传学调控，调控植物器官（如花等）的发育。通过实验结果显示BIO-ELE参与了豆科植物器官发育的生化机理调控，初步建成调控豆科植物器官的三维形态发育。