玉米zmERF4基因功能解析及其在碳酸盐胁迫下的应答机制研究

AP2/ERFs family is plant specific transcriptional factors with large scopes of functions. We discovered lots of alkaline-saline stress inducible new genes via observed the transcriptomes of maize under alkaline-saline stresses. In which, zmERF4 exhibits a characteristic of inhibited by sodium chloride but activated be sodium carbonate, this indicates that zmERF4 could be the "nodes" gene which is the joint point of regulation networks between neutral and basic saline stresses, and the investigation of the response mechanism of this gene may reveal the special molecular mechanism in maize under sodium carbonate stress in comprised to that of sodium chloride. In this study, modern molecular approaches such as method in bioinformatics, ion equivalence- stress model, fluoresce qPCR, overexpression and silencing, diverse transcriptomics, ChiP sequencing, etc. will be employed to examine the transcriptional model of zmERF4, its functions under alkaline-saline stresses and its downstream genes will be identified, the signal transduction pathway will be proposed as well. The aspects above will be of analytically help to address the response mechanism of zmERF4 under sodium carbonate and this provide theoretically foundations for crops (e.g. maize) breeding in improvement of sodium carbonate stress resistance and gene resource.

AP2/ERFs家族是植物特有的一类功能广泛的转录调控因子，申请人通过盐碱胁迫下玉米的差异转录组分析，发现了大量受盐碱胁迫诱导表达的新基因，其中zmERF4基因表现出同时受氯化钠抑制和碳酸钠激活的特殊现象，表明该基因可能是中性盐和碱性盐两种胁迫调控网络的“节点”基因，研究该基因的应答机制可以揭示玉米碳酸盐胁迫有别于氯化钠胁迫的特殊分子机制。本研究拟运用生物信息学、等价离子胁迫模型、荧光定量PCR、超表达和沉默转基因、差异转录组、染色质免疫沉淀测序分析等现代分子生物学分析的技术手段，通过针对zmERF4基因的启动子转录模式分析，盐碱胁迫下的生物学功能鉴定，下游效应基因的鉴定与信号传导通路的绘制等3个主要方面，从分子和离子水平解析zmERF4基因在碳酸钠胁迫下的应答机制，为玉米等作物的抗碳酸盐逆境育种提供重要的理论依据和基因资源。

AP2/ERFs家族是植物特有的一类功能广泛的转录调控因子，通过盐碱胁迫下玉米的差异转录组分析， zmERF4基因表现出同时受氯化钠抑制和碳酸钠激活的特殊现象，表明该基因可能是中性盐和碱性盐两种胁迫调控网络的“节点”基因，研究该基因的应答机制可以揭示玉米碳酸盐胁迫有别于氯化钠胁迫的特殊分子机制。为解析zmERF4基因在调控玉米耐受碳酸盐胁迫的分子机制，本研究拟运用生物信息学、等价离子胁迫模型、荧光定量PCR、超表达和沉默转基因、差异转录组、染色质免疫沉淀测序分析等现代分子生物学分析的技术手段，从3个主要方面展开研究。.首先是通过对zmERF4基因的启动子转录模式分析发现，该基因受到碳酸盐胁迫、ABA和JA的激活，同时又受到中性盐、高PH值胁迫的抑制，进一步采用碳酸钠离子模型分析表明该基因受碳酸根特异性激活。然后对zmERF4基因的生物学功能分析发现，该基因的细胞定位主要集中在细胞核中，过表达该基因能够提高烟草和玉米对碳酸盐的抗性，但同时使得其对中性盐、干旱变得敏感，导致玉米根系中铁含量的下降。通过ChIP-Seq分析获得了7个可能与玉米抗碳酸盐胁迫相关的下游候选基因，并对其中两个候选基因进行了功能鉴定，过表达这两个候选基因不仅能够提高其抗碳酸盐的能力，还能够提高其抗旱性。.本研究为全面解析玉米耐受碳酸盐的抗逆响应和调控具有重要意义，为玉米等作物的抗碳酸盐逆境育种提供重要的理论依据和基因资源。