番茄VI型腺毛形成的分子机理研究

Plant trichomes are widely-existed structures, which have great biological and applicable value and serve as an excellent model to study plant cell fate determination. The type VI glandular-trichomes play important roles in decreasing the damage of insects and virus in tomato. The genes regulating this type of trichome formation are still unknown. On one hand, based on the identification of h-VI gene regulating the formation of type VI trichomes, we plan to characterize the regulatory pathway mediated by this gene; on the other hand, we plan to clone the main effect genes using 360 re-sequencing core cultivars of tomato as materials by the genome-wide association analysis (GWAS). We have mapped 5 type VI trichome related loci using GWAS. One of them are consistent with previous results, demonstrating that the result is very reliable. In this projest, we intend to determine the correlation between the sequence variation in the target regions and the density of the type VI trichomes in the re-sequencing materials and the segregating populations, and then determine the candidate genes. On this basis, combining with Y1H, Y2H and ChIP-seq, we will screen the regulators, interacting proteins and downstream targets, comprehensively illustrating the molecular mechanisms of the type VI trichome formation. It is well worthwhile to reveal the regulatory network of this type trichome formation and enrich the mechanisms of plant cell fate determination.

植物腺毛存在广泛，具有重要的生物学价值和应用价值，是研究植物细胞命运调控的模式系统。番茄VI型腺毛属于分泌型腺毛，对番茄抗虫防病毒具有重要贡献，目前没有相关基因报道。本项目一方面以前期鉴定的VI型腺毛控制基因h-VI为基础，研究由其介导的调控途径；另一方面以360份番茄重测序核心种质为材料，利用GWAS对番茄VI型腺毛调控基因进行定位，并辅以遗传分离群体进行验证并克隆主效基因。前期我们鉴定到5个VI型腺毛相关的位点，其中1个与前人结果一致，说明定位结果可靠。本项目进一步分析定位区域内的变异与VI型腺毛密度的相关性，筛选候选基因，进行转基因确定基因功能。在此基础上，采用酵母单/双杂交、ChIP-seq等方法筛选VI型腺毛控制基因的上游调控因子、互作蛋白以及下游靶基因，解析该型腺毛形成的分子机制。该研究结果对于全面揭示番茄VI型腺毛形成的调控途径以及丰富植物细胞命运调控的分子机理具有重要意义。

植物表皮毛对生物逆境和非生物胁迫具有重要抗性，同时也是一种研究植物细胞命运调控的模式系统。拟南芥单细胞表皮毛形成受到MYB/bHLH/WD蛋白复合体的调控，该复合体通过激活下游表皮毛起始关键基因的表达促进表皮毛形成。番茄、烟草等多细胞表皮毛的调控机制不同于单细胞表皮毛。到目前为止，番茄、烟草等多细胞表皮毛的形成机制尚未被揭示。表皮毛的形成离不开细胞周期的转变，细胞周期蛋白在不同细胞周期的转变过程中起到重要作用。本研究主要分析了B型细胞周期蛋白基因SlCycB2在番茄、烟草和拟南芥中的同源基因，并在番茄和烟草中进行了功能分析。1）利用SlCycB2基因编码的氨基酸序列搜索同源基因，其中番茄中发现2个同源基因SlCycB3和SlCycB4，烟草中确定3个同源基因NtCycB2、NtCycB3和NtCycB4，拟南芥中确定2个同源基因AtCycB2和AtCycB3。2）SlCycB2和SlCycB3在番茄各个组织中都有表达，在花和叶中的表达最高。亚细胞定位显示SlCycB2定位于细胞核中。SlCycB2基因启动子驱动GUS-YFP的结果表明其在下胚轴、茎表皮毛、叶表皮毛表达，且在表皮毛的腺体中的高表达。3）SlCycB2超量表达植株中表皮毛密度显著减少，非腺体毛和I型腺体毛几乎消失，VI和VII型腺体毛的密度显著降低。SlCycB2抑制表达植株上表皮毛密度显著增加，且主要是III型和V型非腺体毛显著增加，而且茎上形成了III type-like超长毛。4）SlCycB2超量表达导致植株叶片中萜类化合物的含量极显著降低。抗性实验表明SlCycB2超量表达植株更易遭受斜纹夜蛾的啃食。5）SlCycB3、AtCycB2和NtCycB2超量表达导致表皮毛密度显著减少，SlCycB3-RNAi抑制表达植株的表皮毛密度显著增加，说明这类基因具有相同的多细胞表皮毛调控功能。6）QRT-PCR分析结果显示SlCycB2和SlCycB3在NtCycB2和AtCycB2超量表达番茄植株中下调表达，SlCycB2在SlCycB3超量表达番茄植株中下调表达；同样，SlCycB3在SlCycB2超量表达植株中也下调表达。推测可这类基因受其同源基因的表达水平的影响。7）SlCycB2、SlCycB3、AtCycB2和NtCycB2转基因烟草植株的表皮毛密度显著降低。