甜荞FeDREB1基因功能及其参与干旱应答的分子调控机制

Common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) is a special minor crop with drought tolerance in arid environment. However, molecular mechanism and gene discovery of drought tolerance remains unclear. Our previous results showed that the FeDREB1 gene could be quickly induced expression under drought stress, overexpression of FeDREB1 gene significantly enhanced drought tolerance and resulted in growth retardation of transgenic Arabidopsis plants. In this study, overexpression, drought induced expression and RNAi methods will be used to transform common buckwheat and Arabidopsis, respectively. Changes in drought resistance and phenotype of FeDREB1 gene at different expression levels will be analyzed in transgenic buckwheat and transgenic Arabidopsis, respectively. Drought inducible promoter core sequence of FeDREB1 gene will be used to insert into the bait plasmid. The transcription factors binding to promoter will be isolated from drought response common buckwheat cDNA library according to yeast one-hybrid system, and verified by EMSA, transcriptional activation and transgenic technology, clearing the upstream regulation components of FeDREB1 gene. In addition, nucleotide diversity of FeDREB1 gene and its promoter will be analyzed by comparative sequencing 189 buckwheat resources(native variety, cultivar). The desirable alleles of FeDREB1 or its promoter for buckwheat genetic improvement will be identified by association analysis. Success of this project will pave the way for fully understanding molecular mechanism of common buckwheat drought tolerance, and accelerate the development new drought tolerant cultivars of common buckwheat.

甜荞是旱区特色杂粮作物之一，但其耐旱分子机制仍不清楚。项目前期研究表明，甜荞FeDREB1基因表达受干旱诱导，该基因过量表达能明显提高转基因拟南芥的耐旱性，同时造成拟南芥生长发育迟缓。本研究拟采用过量、干旱诱导和抑制基因表达技术，明确FeDREB1基因在不同表达水平下的耐旱功能和植株表型变化规律；利用FeDREB1基因干旱诱导型启动子核心序列，通过酵母单杂交从甜荞干旱应答cDNA文库中筛选与之作用的转录因子，结合EMSA、转录激活和甜荞转基因等技术，探讨FeDREB1上游调控组分与作用机制；在此基础上，对从我国不同荞麦种植区收集的189份种质资源 (如农家品种、育成品种)进行抗旱性鉴定和比较测序，分析FeDREB1及其启动子区的核苷酸多样性，通过关联分析鉴定出在生产上有利用价值的等位基因。本研究为系统解析甜荞耐旱分子机制与新品种选育提供理论依据和技术支撑。

甜荞（Fagopyrum esculentum Moench）是蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum Mill）药食同源的非禾谷类粮食作物，具有较高的营养价值和保健功效。甜荞由于生育期短和耐旱性好等优点，已成为我国中西部高海拔干旱和半干旱地区的特色杂粮作物之一，但其耐旱分子机制仍不清楚。本研究系统分析了甜荞 FeDREB1 基因参与甜荞耐旱性功能，着重研究了减量表达对植株延迟发育和耐旱性的影响。研究结果表明，过量表达和抑制表达FeDREB1基因，分别显著提高了甜荞的耐旱性和降低了甜荞的耐旱性，证实FeDREB1基因是参与荞麦耐旱性形成中的一个重要基因。研究结果显示，FeDREB1基因表达水平越高，植株发育越延迟；FeDREB1基因减量表达后可以提高转基因植株的耐旱性，其中以在干旱诱导型启动子中PCD1启动FeDREB1基因减量表达效果最好，即提高耐旱性，又能有效缓解延迟发育的不利影响。利用FeDREB1基因干旱诱导型启动子PCD4序列，通过酵母单杂交从甜荞干旱应答cDNA文库中筛选与之作用的转录因子，筛选到1个调控FeDREB1 基因表达的转录因子，命名为FeMYB基因。经酵母单杂技术分析显示，甜荞FeMYB蛋白具有结合和转录激活特性。亚细胞定位研究结果表明FeMYB1转录因子定位于细胞核中。耐旱性研究表明，过量表达FeMYB1可以显著提高拟南芥的抗旱能力。通过对具有不同耐旱性荞麦种质资源的FeDREB1基因及启动子进行等位变异分析发现，FeDREB1基因存在4种等位变异类型；在FeDREB1基因启动子中存在3种等位变异类型，种质资源间的变异主要集中于参与干旱应答的重要启动子区段；且不同耐旱性种质FeDREB1基因与启动子存在不同的组合类型，推测这些变异可能与荞麦种质资源耐旱性强弱的分化有关。本研究结果阐明了 FeDREB1 基因上游调控组分与作用机制，为耐旱丰产性甜荞品种选育提供理论依据和技术支撑。受项目资助目前公开发表学术论文 6篇，授权发明专利1项，培养毕业硕士2人。