玉米生物逆境相关基因TPS6的功能及表达调控研究

In maize, terpenes act primarily role in defense reaction which induced by phytopathogenic fungi or herbivores. Terpene synthases produce various kinds of terpenes. Pathogen or insect attack elicit the expression of TPS6 which generates nonvolatile terpenoid phytoalexins in leaf, termed zealexins, and volatile β-macrocarpene as the dominant product in root. However, the role of TPS6 in defense system and its regulatory mechanism are unknown yet. In this project, TPS6 gene and its promoter as research object, we will systerm elaborate the funcation of TPS6 in direct and indirect defenses by studying the relevant terpenoids’ influence on pathogen and insect. The transcription factor(s) regulating the expression of TPS6 are obtained through bioinformatics, promoter segment analysis and yeast-one-hybrid assay, the regulatory mechanism of TPS6 will be clarified. Meanwhile, the signal pathways of TPS6 expression will be analyzed. The implementation of this project will help to better understand the defense system of maize, provide theoretical research foundation to breeding pathogen/insect resistant maize and ecological control by using the interdependent or restriction relationship between organisms.

玉米受病虫害为害后会激活自身的防御反应，其中萜类化合物在防御反应中发挥非常重要的作用。玉米萜类合成酶催化各类萜类物化合物的产生。编码倍半萜合成酶的TPS6基因受病菌和虫害诱导表达，在叶片中产生非挥发的萜类植物抗毒素zealexins，根中主要产生挥发性的β-macrocarpene。然而对于TPS6基因在防御反应中的作用及其表达调控机制并不清楚。本项目以TPS6基因及其启动子作为研究对象，通过研究TPS6催化产生的萜类化合物对病菌及害虫的影响，系统阐述TPS6基因在直接防御和间接防御中的作用；通过生物信息学，启动子区段分析和酵母单杂交技术获得调控TPS6基因表达的转录因子，阐明TPS6基因的表达调控机制；同时对TPS6基因表达的信号传导途径进行分析。本项目的实施有助于更好地理解玉米的防御体系，对抗病虫玉米的培育以及利用生物体间的相互依存或制约关系开展有效的生态防治提供理论基础。

萜类化合物在玉米的防御反应中发挥着非常重要的作用。TPS6基因编码倍半萜合成酶，受病菌诱导表达，但对于TPS6基因在玉米防御反应中的作用及其表达调控机制并不清楚。本项目以TPS6基因及其启动子作为研究对象，通过对TPS6过表达及敲除的转基因玉米的次生代谢物测定及抗逆性鉴定，不同激素及逆境处理后TPS6表达模式分析，不同玉米自交系中TPS6启动子的比对及TPS6基因表达检测，TPS6启动子功能区段分析，与启动子互作的转录因子筛选验证等研究，解析TPS6在防御反应中的作用及其表达调控机制。研究表明过表达TPS6基因能够增加玉米中β-macrocarpene和Zealexin-A1的含量，提高玉米的抗病性和抗旱性，但对抗虫性无显著影响。TPS6的表达受ABA信号途径调控，ABA能够诱导玉米根中TPS6的表达，而JA，SA及ET并不影响TPS6的表达。TPS6启动子（ATG上游400bp）是其功能区段，具有全长启动子活性并且TPS6启动子中-100至-1区段中的一段8bp序列（CATGCATC，含有1个RY-repeat元件）在玉米自交系中存在多态性，该序列对TPS6的表达非常重要，缺失该序列的玉米自交系中TPS6都不表达。玉米原生质体瞬时表达分析也证明缺失TPS6启动子-100至-1区段中的RY-repeat元件后显著降低启动子活性。jmj22转录因子受ABA诱导表达，能够与TPS6启动子结合，激活TPS6的表达。通过本项目的研究解析了TPS6在玉米防御逆境胁迫中的功能及其表达调控机制。同时获得了一个好的分子标记（CATGCATC），在玉米育种中可利用该分子选择标记筛选抗旱抗病品种。此外，后续我们还将对TPS6表达调控中的某些问题进行深入的研究。