miR156在弱光诱导荷花花芽败育中的调控机理研究

Lotus (Nelumbo nucifera Gaertn) is the traditional famous flowers of China, has high ornamental,economic, and cultural values. Lotus is a kind of heliophilous flower. Flower bud abortion usually is induced by low light intensity and lead to flowering failure in lotus, which largely prevented its indoor cultivation and application in outside shade environment. Our preliminary study in lotus showed that trehalose-6-phosphate synthase gene (TPS) might play an important role on regulating lotus flowering under low light condition. Based on this, we will investigate the expression characteristic of miR156g and its target gene, TPS, responding to shade treatment and the treatment of potential promoter responding factor. Combined with the anoatomical observation of flower bud, the measurement of saccharides content, etc, we will explore the function of miR156g and TPS. Furthermore, we will establish the over-expression and RNAi vector of miR156g and some other important genes which is crucial in other classical flowering regulatory networks, and will analyze the expression level and phenotype change of them. Then we will reveal the role and the molecular mechanism of miR156g and its target gene TPS regulating flower bud abortion induced by low light intensity in lotus. This proposal will enhance the understanding of mechanism of shade tolerance of lotus and will provide an important scientific evidence in establishing a new way of shade tolerant breeding of lotus.

荷花为我国传统名花，具有很高的观赏、经济和文化价值。荷花属喜阳花卉，弱光下花芽易败育，导致其不能开花，极大地限制了其在室内的栽培及室外荫蔽环境中的应用。我们通过前期研究发现miR156g及其靶基因海藻糖-6-磷酸合酶基因（trehalose-6-phosphate synthase, TPS）在调控弱光下荷花开花中可能发挥着重要的作用。以此为基础，本项目通过分析遮荫及潜在的启动子响应因子处理下荷花miR156g及其靶基因TPS的表达特性，结合花芽解剖学观察、糖类物质测定等探查miR156g及TPS的功能；通过将miR156g和一些经典的开花调控相关的重要基因进行过表达和功能干扰，结合其表达量和表型变化分析，初步阐明miR156g及其靶基因TPS在弱光诱导的荷花花芽败育中的功能及相关分子机制，将增强对荷花耐荫机理的认识，并为开辟耐阴荷花育种新途径提供重要的科学依据。

弱光下荷花花芽易败育、无法开花，极大影响了它的广泛应用和产业价值。前期工作发现miR156和海藻糖-6-磷酸合酶基因在在植物感受碳水化合物可利用率，调控花发育、细胞PCD等方面发挥重要作用。项目从miR156和荷花海藻糖-6-磷酸合酶基因家族成员（NnTPSs）的全基因组鉴定入手，对miR156和NnTPSs基因家族成员进行了克隆、亚细胞定位、系统的进化分析与功能推断。通过转录组及RT-qPCR分析，检测了miR156和NnTPSs在不同品种、组织器官及处理下的表达特点。观测了荷花花芽形态，通过组织化学染色、TUNEL试验发现败育花芽发生细胞程序性死亡。检测了正常和败育花芽中糖类物质的变化，发现糖类物质尤其是海藻糖的减少与弱光下荷花花芽的败育有密切联系，揭示海藻糖合成基因TPS1在这个过程的重要作用。对败育花芽的组学分析表明糖信号可能在调控荷花花芽败育中发挥主导作用，并与细胞壁和细胞膜的完整性、细胞的增殖和扩张等、DNA修复和RNA编辑等有关。miR156及其他6个miRNA在荷花花芽发育当中起着非常重要的作用。通过同源重组的方法，我们构建了酵母TPS1突变株，通过回补实验验证其为有功能的TPS基因。实验首次在荷花中构建了基于番茄黄化曲叶病毒（TYLCV）的瞬时转化体系。构建miR156的过表达载体，并成功转化遮阴处理的荷花植株，结果显示，过表达miR156导致荷花花芽败育率明显升高；我们同时在荷花中过表达及干扰TPS1，结果显示，过表达TPS1能够挽救遮阴下荷花花芽败育多的局面，并且过表达TPS1的植株抑制了miR156的表达，表明TPS1/T6P对miR156的抑制作用可能是扭转荷花在弱光下花芽易败育的重要原因。研究同时探查了miRNA156信号网络中，激素的作用和与细胞凋亡有重要联系的SnRK1的功能。结合以上数据我们提出了miR156在调控荷花花芽败育中的作用模型，并开发出提高荷花耐阴性的针剂。项目结果为解决弱光下荷花花芽易败育、耐阴性差等问题的分子育种和生长调节剂开发提供思路，具有一定的理论意义和应用价值。