玉米ZmIDD16基因调控叶夹角的分子机制研究

Leaf angle is one of the most important agronomic traits that play a crucial role in determining grain yield, and the shoot gravitropism is one of the key regulators of leaf angle. To further explore the molecular mechanism of maize leaf angle, we identified an IDD family protein gene, ZmIDD16, as a candidate gene responsible for leaf angle regulation by RNA-seq, and analyzed its expression and sequences. Then ZmIDD16 was preliminarily functional analyzed using the sense transgenic Arabidopsis and the homozygous Mu-insertion mutants were obtained. In this proposal, we will carry out in-depth studies on the roles of ZmIDD16 in the shoot gravitropism, auxin synthesis, transport and signal transduction, and ligular region development, and also identify its target regulation genes and interaction proteins, to reveal the molecular mechanism of ZmIDD16 involved in regulating leaf angle. The results will provide theoretical basis and candidate genes for further investigation of the molecular mechanisms of leaf angle formation and benefit plant architecture breeding.

叶夹角是影响玉米产量的重要农艺性状之一，而植物地上部的向重性反应是调控叶夹角大小的重要反应过程。为了深入研究玉米叶夹角的调控机理，我们前期通过转录组测序鉴定了1个叶枕部位高表达的IDD转录因子基因ZmIDD16作为叶夹角调控候选基因，初步分析了该基因的表达情况和序列特征，并利用转基因拟南芥对该基因的功能进行了初步分析，获得了该基因的玉米Mu转座子插入突变体纯系。本项目拟在前期工作基础上，通过细胞生物学、分子生物学、遗传学和生物信息学等技术手段，深入研究ZmIDD16在重力信号的感应，生长素合成、运输及信号转导，叶枕发育等方面的作用，鉴定其调控的靶基因和互作蛋白，阐明其调控玉米地上部重力反应，进而调控叶夹角的分子机制。其成果将有利于加深我们对玉米叶夹角调控分子机制的理解，并为玉米株型的优化及产量的提高提供理论基础和候选基因。

叶夹角是影响玉米种植密度和产量的重要农艺学性状之一，培育紧凑耐密的玉米株型是育种的重要目标。然而，关于玉米叶夹角调控的分子机制尚不清楚。在本项目的资助下，我们对玉米ZmIDD15和ZmIDD17调控叶夹角的分子机制进行了深入研究，总结如下：（1）基因表达分析发现玉米ZmIDD15和ZmIDD17主要在叶枕部位表达，其表达受到生长素的诱导，且在紧凑型玉米自交系中明显高于平展型自交系中；（2）亚细胞定位分析发现 ZmIDD15和 ZmIDD17都定位在细胞核；（3）GUS染色分析发现它们主要在维管组织以及叶片分裂比较旺盛的叶尖部位表达，并且ZmIDD15主要在地下部表达，ZmIDD17主要在地上部表达；（4）表型观察发现与对照相比，idd17和ZmIDD17的CRISPR-Cas9基因编辑株系叶夹角变大，而过表达株系叶夹角变小，说明ZmIDD17参与调控玉米叶夹角的大小；（5）扫描电镜观察发现idd17叶枕部位细胞层数明显比W22多，导致idd17叶枕部位面积大于W22。同时，idd17中细胞周期相关基因CYCD2;1、CYCD4;1和CYCD5;1的表达水平明显提高，说明ZmIDD17通过调控细胞周期相关基因表达影响叶枕部位细胞分裂，进而调控叶枕发育；（6）植株地上部向重力性分析发现idd17的重力敏感性要低于W22，且在转基因植株中生长素相关基因表达水平较高，同时玉米原生质体转录激活实验证明ZmIDD15和ZmIDD17能够激活生长素合成基因ZmYUC5和生长素转运基因ZmPIN1的表达，说明ZmIDD17可能通过调控生长素的合成和转运调控玉米地上部的负向重性反应，进而调控叶夹角。本项目圆满的完成了项目任务书中的各项研究任务，在本项目资助下，已发表论文3篇，包括生物学一区杂志研究论文1篇，二区杂志论文1篇。