毛竹Dof转录因子调控开花的途径及其分子调控机制

Moso bamboo (Phyllostachys edulis) is one of the most important economic bamboo species, but the unpredictable flowering feature has threatened the bamboo growth and development. Although some researches have been reported in the physiological mechanism on moso bamboo flowering, the molecular mechanisms still remain poorly understood. Our previous research of the RNA-seq and expression profile analysis has showed that 11 Dof transcription factors might be involved in regulatory pathways of moso bamboo flowering. The results of western blotting and in situ hybridization indicated that PheDof1 major expressed in particular flower organs and development stages. Based on these previous results, in this project, 11 Dof genes, especially the PheDof1 gene, were chosen to study the expression and co-expression patterns of Dof genes and other downstream flowering regulation genes at flower initial and developmental stages by quantitative reverse transcription PCR assay. Further, the downstream target genes of PheDof1 gene will be screened by ChIP sequencing using the knockout and over-expression Dof1 gene and will be identified by EMSA and yeast one hybrid assay. In addition, drought stress treatment in transgenic plants will be included to check the expression of Dofs and downstream target genes. It will be expected to reveal the downstream regulatory network and elucidate the molecular mechanism of Dof transcription factors affecting on the downstream targeted genes. It will possess vital scientific significance for the study on the flowering mechanism of perennial plants.

毛竹开花的不确定性威胁竹产业安全和生态安全，因此研究毛竹开花调控机理具有重要意义。尽管人们在毛竹开花生理机制研究中取得一些进展，但其分子作用机制仍不清楚。本课题组对毛竹用RNA-seq分析发现11个Dof转录因子参与了毛竹的开花调控通路，随后的免疫印记和原位杂交表明PheDof1呈现花器官和开花发育阶段特异表达，暗示Dof参与了毛竹开花调控。在此基础上，以Dofs基因特别是PheDof1为研究对象，研究这些基因在竹子开花启动与进程中的表达规律，探索敲除或过表达Dof对下游各个途径成员表达的影响，用RNA-seq、CHIP-seq、Y1H和EMSA搜寻并鉴定调控的开花下游靶基因，查验干旱胁迫处理对Dof以及下游基因（包括直接结合的和间接调控的）表达的影响, 最终揭示Dof调控开花的分子机制。这对揭示多年生植物开花机理有重要的科学意义，对毛竹的杂交育种和分子育种具有一定的理论指导意义。

毛竹（Phyllostachy edulis）是典型的一次性开花植物，生命周期长，开花期不确定，花后集体死亡。毛竹开花对竹资源的安全和竹产业安全都有潜在风险，然而长期以来毛竹开花调控的分子机制并不清楚，因此，毛竹开花研究不仅对于竹类植物的开花调控有重要价值，而且对理解多年生植物的开花机理具有深远的科学意义。同时，毛竹作为重要经济竹种，该研究对其开展杂交育种、分子育种具有重要理论与实践价值。本项目以毛竹Dof转录因子的调控作为毛竹开花分子机理研究的一个切入点，利用生物信息学、分子生物学、生物化学和遗传学等实验方法首次在多年生植物中研究了Dof转录因子。研究了毛竹Dof转录因子调控非生物胁迫响应和开花启动的功能。发现了毛竹Dof转录因子可以直接响应干旱的逆境胁迫，首次发现了Dof转录因子之间存在互作的现象；寻找到了Dof直接调控的靶基因，并从中鉴定出开花关键靶基因，构建Dof转录因子调控毛竹开花下游调控通路。研究发现6个关键PheDofs基因在非生物胁迫和光周期开花调控过程中发挥重要作用；PheDof12-1提高转基因拟南芥干旱胁迫耐受性，同时诱导转基因拟南芥提前开花，起正调控作用；PheDof4-1和PheDof26延长拟南芥的开花时间，起负调控作用；PheDof4-1 不仅参与非生物胁迫响应，还参与开花启动调控过程，PheDof4-1可以与抗性相关蛋白PheeIF5A和开花诱导因子PheFT互作，毛竹的FT存在细胞核和细胞膜的双定位现象，Dof转录因子之间可以相互调控，同时调控CO和FD的转录。提出了Dof调控毛竹开花的可能的调控途径，并进行了体外生化验证和模式植物异源转化的遗传学验证。本研究结果为毛竹开花分子调控机理提供了理论基础和科学证据，加深了对多年生一次性开花植物开花调控机制分子层面的认识，为毛竹分子育种提供了候选基因，同时有助于毛竹的杂交育种。