棉花CENTRORADIALIS基因调控零式果枝形成的分子机制

"Nulliplex-branch" is a useful trait in cotton breeding, and it usually flowers much earlier with determinate fruiting branches. In our previous study, a cotton CENTRORADIALIS(CEN) homolog was located in the interval responsible for the nulliplex-branch trait. In Arabidopsis, CEN homolog appears to be an anti-florigen. It control shoot meristem identity, and loss-of-function mutations usually result in dramatic changes in plant architecture. Thus, CEN was regarded as a candidate for nulliplex-branch. Some DNA sequence variations in CEN for nulliplex-branch was revealled by sequencing using nulliplex-branch mutants. In this study,complementation experiment and VIGS technology would be used to confirm that CEN is responsible for nulliplex-branch trati.By east two-hybird assays and RNA-seq,the function of CEN and its regulation in flowering and branch development would be studied. This research would give a preliminary dissection of molecular mechanism of CEN,and provide useful theoretical foundation and resource for cotton breeding.

棉花零式果枝突变体表现为早熟、果枝有限生长等特点。本研究小组的前期研究中，棉花CENTRORADIALIS（CEN）同源基因位于零式果枝性状的定位区域内，拟南芥CEN同源基因为抑花因子，调控营养生长向生殖生长的转化和花序组织的分化，因此CEN为零式果枝的候选基因。通过序列分析，本研究组找到了若干CEN内可能导致零式果枝性状的突变位点，并在多个突变材料进行了测序验证。本研究将采用VIGS、转基因互补验证等方法，进一步验证棉花CEN基因为零式果枝的决定基因，并分析其表达模式和调控模式。通过qRT-PCR、RNA原位杂交、酵母双杂交和RNA-seq等技术，分析CEN基因在棉花开花调控和果枝发育进程中的功能及其调节机理。通过本研究有望初步揭示零式果枝形成的分子机理，并为棉花株型育种提供理论指导和分子资源。

棉花有一类自然突变，命名为零式果枝，其果枝生长为有限性。表现为花朵直接在主茎叶腋处分化，或者主茎叶腋能分化果枝，但只有一个果节，果枝末端2-3朵花簇生。零式果枝突变体同时也表现为超早熟，果枝节位低，生育期短。本研究在前期研究的基础上，将零式果枝的候选基因CENTRORADIALIS（CEN）同源基因（GhNB）作为研究对象，采用转基因超表达、RNA干涉和基因编辑等技术验证GhNB在果枝发育中的生物学功能，并分析其表达模式和调控模式。结果表明，棉花中超表达GhNB基因会抑制营养生长向生殖生长的转换，在正常棉花生长条件下，无法分化果枝，不能开花。而RNA干涉GhNB基因，则导致棉花开花期提前，果枝转变为花，主茎顶端转换为有限生长，分化为花，植株高度减低。而基因编辑植株则表型比RNA干涉更加极端，植株矮小，主茎和果枝都有限，以花终结。定量试验表明，GhNB的mRNA存在表达昼夜表达节律，在根和茎尖中有两个表达峰值。cDNA测序表明GhNB的At和Dt都有表达，表明自然界的零式果枝突变是一个拷贝的突变，而人工通过RNA干涉和基因编辑创制的材料则由于两个拷贝都被敲低或敲除，导致更严重的表型。酵母双杂和蛋白质脂质杂交测定表明，发生于Gh-nb1和Gb-nb1两个非同义突变不影响GhNB蛋白和FD蛋白的互作，但可能影响NB蛋白在体外的配体结合活性。本研究表明，GhNB是棉花果枝发育的重要调控因子，利用调控GhNB基因的表达量或蛋白活性，能相应调控棉花的株高、果枝限性、花期等性状，是棉花株型改良的重要目标基因。