橡胶树胶乳中响应乙烯信号NAC转录因子（HbERNAC1)的表达及功能分析

NAC family proteins are plant-specific transcription factors that play vital roles in plant development, stress responses and various metabolic processes. The expression of some NAC transcription factors can be regulated by ethylene. These NAC proteins play important roles in ethylene signal transduction and regulation of secondary metabolism in plants. Ethephon, a releaser of ethylene, is a stimulant widely used to increase latex yield in the natural rubber production, but the underlying molecular mechanisms that how Ethephon works remains unclear so far. We identified a NAC transcription factor gene, HbERNAC1, which responds to the ethylene signal in the latex of Hevea brasiliensis, and this transcription factor may be an important regulator of the latex metabolism in rubber trees. This project will firstly focus on the gene expression, subcellular localization and analysis of transcriptional activation activity of HbERNAC1. Secondly, the effect of HbERNAC1 on the latex yield and physiological characteristics will be further investigated through genetic transformation using russian dandelion(Taraxacum koksaghyz), whose physiological mechanism of latex regeneration is similar to that of rubber trees. This research would facilitate getting insight into the biological functions that HbERNAC1 performs in increasing the latex metablolism of rubber trees stimulated with Ethephon, which would unveal molecular mechanisms that ethylene signal transduction regulates the latex metabolism in the laticifers of Hevea brasiliensis.

NAC家族转录因子是植物特有的转录因子，广泛参与植物的生长发育、胁迫应答和多种代谢活动，部分NAC转录因子基因的表达受乙烯信号调节，在植物乙烯信号转导和次生代谢调控中发挥重要作用。乙烯利（有效成分是乙烯）是当前天然橡胶生产中广泛使用的产量刺激剂，迄今为止，乙烯利刺激提高橡胶树胶乳产量的分子机制仍不清楚。我们从橡胶树胶乳中筛选出1个响应乙烯信号的NAC转录因子（HbERNAC1），该转录因子可能在乙烯利促进橡胶树胶乳代谢中起重要作用。本项目将重点研究NAC转录因子（HbERNAC1）的表达、亚细胞定位以及转录激活活性分析，并利用与橡胶树具有相似产胶生理机制的俄罗斯橡胶草为材料，通过遗传转化研究HbERNAC1转录因子对橡胶草胶乳产量及生理特性的影响，分析响应乙烯信号的HbERNAC1转录因子在乙烯利促进橡胶树胶乳代谢中的作用，揭示橡胶树乳管细胞乙烯信号转导及其调控橡胶树胶乳代谢的分子机理。

植物特有的NAC转录因子是目前已报道的植物基因组中最大的转录因子家族之一，共同特征是在N-端具有高度保守的NAC domain，C-末端是转录激活区。NAC转录因子广泛参与了植物的生长发育，胁迫应答和多种代谢活动，部分NAC转录因子基因的表达受乙烯信号调节，在植物乙烯信号转导和次生代谢调控中发挥重要作用。乙烯利（有效成分是乙烯）是当前天然橡胶生产中广泛使用的产量刺激剂，迄今为止，乙烯利刺激提高橡胶树胶乳产量的分子机制仍不清楚。本项目组从橡胶树胶乳中筛选出1个响应乙烯信号的NAC转录因子（HbERNAC1），推测其可能在乙烯促进橡胶树胶乳代谢中发挥重要作用，对此转录因子进行了表达及功能分析。克隆和转录激活实验显示HbERNAC1编码蛋白的N-端具有保守的NAC domain，具有转录激活活性，且转录激活区在C-末端。pGDR: HbERNAC1融合蛋白在水稻原生质体的亚细胞定位分析显示，HbERNAC1是个核定位蛋白。利用基因组步移技术克隆了HbERNAC1基因的启动子序列，PlantCARE 和 PLACE 数据库分析发现含有ABRE，CGTCA-motif，HSE，TC-rich repeats和TCA-element等多种激素，光和应激反应相关的顺式调控元件。实时荧光定量PCR表达分析结果显示HbERNAC1转录因子在橡胶树的多个组织中均有表达，并且割胶，乙烯利和茉莉酸刺激以及低温胁迫均能诱导该基因表达。酵母单、双杂交筛选结果显示HbERNAC1转录因子可能受WRKY， MYB， MYC和EIN3等上游调控因子调控，与胶乳代谢和橡胶生物合成关键因子REF，3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A合酶（HMGS1）等蛋白发生相互作用。这些研究结果表明乙烯可能通过其信号转导通路中的核蛋白调控因子EIN3调控HbERNAC1转录因子的表达，而表达的HbERNAC1转录因子与REF，HMGS1相互作用，从而参与调控橡胶树的胶乳代谢过程。本研究分析了NAC转录因子在乙烯利促进橡胶树胶乳代谢中的作用，为揭示橡胶树乳管细胞乙烯信号转导及其调控胶乳代谢的分子机制奠定基础。