自然反义基因DRYAIR介导干旱调控拟南芥花期的分子机制

Flowering time is essential for plant adaptation and final seed yield, so the ideal regulation of flowering time is important for the breeding of high- and stable- yield crops. In agriculture, drought and especially intermediate drought are very common, which could cause early flowring, the inconsistence between female and male flowering or other abnormal phenotypes, and lead to seed loss. The drought caused flowering variation has been widely observed as one of the major factors which constraint the increase of yield; In contrast, people still know little about the mechanism underlied. We have identified a drought regulated gene DRYAIR (Drought related Antisense Intergenic RNA) in Arabidopsis thaliana, initial data indicated that knockout of DRYAIR gene caused increased expression of the IFR gene in cis and a flowering time repressor gene called FLOWERING LOCUS C (FLC), which led to flowering time delay eventually. This two-gene cassette has made a direct link between drought stress and flowering time regulation,which make it possible to dissect the relationship between these two things directly. We plan to use this system to reveal the mechanism for the regulation of drought on flowering time variation with RNA-seq, mutant screening and gene cloning approaches, our finding will expand people's understanding of plant flowering time regulation, and provide theory support and gene resources for crop improvement.

开花时间对植物的生长适应性和最终的种子产量都有重要影响，因此理想的花期调控是实现农作物高产和稳产育种的关键。在农业生产中，干旱尤其是短时间的干旱非常常见，会引起早花和雌雄花期不一致等非正常性状，进而导致作物减产，成为限制农业增产增收的重要因素，然而目前人们对干旱调控植物花期的内在机制还知之甚少。我们在拟南芥中发现并鉴定了一个干旱调节基因DRYAIR，初步的研究发现敲除DRYAIR基因能上调相邻基因IFR的表达，并导致开花抑制基因FLOWERING LOCUS C (FLC)和植物花期的改变。本项目拟建立一个介导干旱调控植物花期的理想基因体系，以直接揭示逆境和植物花期之间的关系，并利用这一系统，采用RNA-seq、突变体筛选和基因克隆等手段，解读干旱调控植物花期的分子机理。研究结果有望拓展人们对植物花期调控的理解，且为农作物的改良提供理论支持和基因资源。

开花时间对植物的生长适应性和最终的种子产量都有重要影响，因此理想的花期调控是实现农作物高产和稳产育种的关键。在农业生产中，干旱胁迫会引起植物早花和雌雄花期协调等非正常性状，导致作物减产，但分子调控机制尚不清楚。课题组在国家自然科学基金项目支持下，围绕IFR-DRYAIR自然反义RNA，按计划开展了一系列研究工作，揭示了干旱胁迫通过IFR-DRYAIR调控植物开花时间的分子机制。.通过3’RACE全长RNA分析技术，我们发现IFR和DRYAIR基因转录的RNA存在20-150 bp的重叠区，能构成典型的自然反义RNA结构。与TAIR及NCBI等公共数据库的注释不同，DRYAIR转录的RNA存在内含子保留现象，导致RNA翻译的提前终止，形成长链非编码RNA（Long noncoding RNA, LncRNA）。DRYAIR表达水平受干旱所调控，在dryair突变体中正义基因IFR的表达量显著下调。进一步研究发现DRYAIR能招募DNA甲基转移酶Met1，上调IFR-DRYAIR重叠区的CG甲基化水平，从而实现对IFR和花期调控关键基因FLC的调控。这些发现为在植物系统中解析自然反义基因和LncRNA调控植物开花时间提供了重要证据，也为研究干旱调控植物花期和作物分子育种提供了重要案例和实验素材。.在研究过程中，课题组筛选到一个花期调控关键基因SSF,在拟南芥自然生态型中，该基因一个碱基的自然变异引起单个氨基酸的错义突变。植物体内外实验证明该氨基酸改变能被蛋白泛素化降解复合体的E3连接蛋白CULLIN1所识别，从而引起SSF蛋白的稳定性发生变化，从而引起蛋白丰度不同，在基因转录水平上调控RNA聚合酶富集和FLC基因表达，最终影响植物开花时间。基于相关研究，课题组先后在《Nature Communications》、《Theoretical and Applied Genetics》和《Molecular Plant》等期刊上发表学术论文4篇，获国家发明专利授权1项，培养博士及硕士研究生6名。