月季HD-ZipI和II转录因子整合激素信号调节花瓣扩展与衰老的机制解析

Rose is one of the most important cut flower in the global market. The economic value of rose is largely depended on the flower opening quality, which is decided by petal expansion and senescence. It is clear that the ethylene can accelerate the process of flower opening and suppress the petal expansion, and thus lead to abnormal petal and shortened vase life. On the other hand, Giberillin acids (GAs) are able to delay flower senescence and improve the opening quality. To date, however, it is less known concerning how ethyene and GAs integradedly regulate the flower opening and senescence. Previously, HD-Zip transcription factors were reported to be involved in mediating phytohormone cross-talk. Recently, we isolated 11 HD-Zip I and II subfamily genes by searching our rose floral transcriptome database. In this project, we will firstly identify the function of these genes in petal expansion and senescence of rose flower using VIGS approach. The candidate genes which are likely contribute petal expansion and senescence will be further confirmed by overexpression or silencing in rose plants. And then, the selected gene will be characterized biochemically and genentically. The regulatory network downstream to candidate gene will be identified by screening the RNA-seq data generated from control and transgenic rose plants overexpressed candidate gene. Moreover, we will investigate the possible role of the candidate genes in integrading ethylene and GA signaling during petal expansion and senescence through identification of possible upstream regulators of candidate genes. We anticipate that our work could dissect the molecular mechanism that regulation of petal expansion and senescence in rose by HD-Zip I and II-integrated phytohormones signaling.

月季是全球第一大切花，其开放品质主要依赖于花瓣扩展程度和衰老速度。已经明确，乙烯能够加速花朵开放和衰老进程，同时抑制花瓣细胞扩展，导致花朵开放异常；赤霉素（GAs）具有与乙烯相反的效果，能够延缓花朵衰老进程，改善开放品质。但是，迄今为止乙烯和GAs信号之间的相互作用方式及其对花朵开放和衰老的调节机制尚不清楚。已有报道表明，HD-Zip转录因子家族中I和II亚家族成员是激素信号互作的重要节点之一。申请者的前期工作，从月季花器官转录组数据库中筛选到11个HD-ZipI 和II基因。本项目拟对这些成员在花瓣扩展和衰老中的功能进行鉴定，对其中重要成员介导乙烯和GAs信号相互作用的方式进行分析，并对其上下游基因调节网络进行解析。以期从转录调节的层面上初步阐明HD-ZipI和II亚家族成员整合激素信号，调节月季花瓣扩展和衰老的分子机制，进而为月季切花开放品质改良提供新的基因资源。

月季是全球第一大切花，其开放品质主要依赖于花瓣扩展程度和衰老速度，而花瓣扩展和衰老的过程则受到多种激素共同的调控。目前为止，关于花朵开放和衰老中的激素信号之间相互作用机制尚不十分清楚。已有报道表明，HD-Zip转录因子家族是激素信号互作的重要节点之一，但HD-Zip转录因子在器官扩展和衰老方面的研究尚处在起步阶段。.基于转录组分析，研究初步筛选得到11个HD-Zip家族成员的转录本，并对其中一个响应月季花瓣衰老的转录因子RhHB1进行了详细功能分析。研究发现，RhHB1基因受乙烯和ABA的强烈诱导。而胁迫响应NAC类转录因子RhNAC3可以结合RhHB1的启动子序列，驱动RhHB1基因的表达。在月季花瓣中，沉默RhHB1会抑制了失水恢复的效果。对RhHB1沉默样本进行RNA-seq分析发现，RhHB1调节了一系列细胞壁相关基因以及胁迫响应基因的表达。其中，细胞壁合成基因RhCel1的表达受到明显的诱导。通过EMSA实验，验证了RhHB1能够与RhCel1启动子的直接结合。这些结果表明，RhHB1可能通过调控RhCel1等一系列细胞扩展相关的下游功能基因的转录，从而参与了花瓣失水耐性的调节。进一步的研究发现，在RhHB1沉默的样本中，与茉莉酸相关的基因被上调，qRT-PCR证明RhHB1的表达受到了茉莉酸的诱导。酵母单杂交和EMSA试验证明，RhHB1能够结合RhLOX4基因的启动子。沉默RhLOX4提高了月季花瓣的失水胁迫耐性。以上结果说明，RhHB1通过抑制RhLOX4的表达来抑制茉莉酸的合成，从而来影响月季花瓣的失水胁迫耐性。.另外，我们发现HD-Zip I家族转录因子 RhHB6可以结合衰老相关基因RhPR10.1的启动子。RhHB6的表达受到衰老和乙烯的显著诱导，而被ABA所抑制。沉默RhHB6基因的月季花朵表现出加速衰老的表型，花朵寿命与沉默 RhPR10.1基因的月季花朵中相似。推测RhPR10.1基因被RhHB6所调控，通过对月季花瓣内细胞分裂素含量及其信号途径的调控进而调节月季花瓣衰老。.以上结果，初步阐明了HD-Zip I家族成员RhHB1和RhHB6调节月季花瓣扩展和衰老的分子机制，为进一步改良月季切花开放品质提供新的基因资源。