玉米热激蛋白转录因子ZmHsfA2功能分析与分子调控机制研究

As the important stress-responsive proteins, heat shock transcription factors (HSFs) can activate the expression of heat shock proteins (HSPs) to start protection mechanism of plants in response to high temperature, drought and other stresses. To date, there are few reports about the function and mechanism of the maize HSFs. In this work, a maize heat shock transcription factor, ZmHsfA2, was isolated based on the transcriptase difference analysis. Over expression of this gene can lead to improved tolerance to high temperature and drought in transgenic rice. Meanwhile, over expression and RNA interfere (RNAi) of ZmHsfA2 of transgenic maize plants were also obtained. The research will character the biological function of ZmHsfA2 in response to high temperature and drought, through the characterization of high temperature and drought-resistant and related biochemical analysis of transgenic maize; We will also reveal the functional mechanism of ZmHsfA2 gene by analyzing the expression difference of related HSPs and searching candidate target proteins, identifying the interaction proteins between ZmHsfA2 and candidate HSPs with the yeast two-hybrid technology and the transient transformation with tobacco protoplasts. The target point of ZmHsfA2 will also be identified based on the protein truncation and site-directed mutagenesis techniques. This study will provide important theoretical significance and application value in exploring new HSFs functional genes and further understanding of the mechanism of the maize HSFs involved in abiotic stress.

植物遭受高温干旱等胁迫危害时，热激蛋白（HSPs）作为重要的胁迫响应蛋白会启动保护机制，而热激蛋白转录因子（HSFs）可以促进热激蛋白的表达。目前对玉米HSFs功能及作用机制研究很少有报道，项目组通过转录组学差异分析克隆一个玉米ZmHsfA2基因，其过量表达提高了水稻抗高温和干旱能力，同时获得了过量表达ZmHsfA2基因和RNAi的玉米转化株。本研究拟通过转基因玉米耐高温和抗旱的特性鉴定和相关生化分析，明晰ZmHsfA2基因提高对高温干旱抗性的生物学功能；分析相关HSPs表达差异寻找候选靶蛋白，利用酵母双杂交技术和原生质体瞬时转化系统鉴定ZmHsfA2与候选热激蛋白间的相互作用，通过蛋白质截短技术和定点突变鉴定ZmHsfA2蛋白参与互作靶位点，从而揭示ZmHsfA2作用机理。本研究对发掘新的HSFs功能基因，深入了解玉米HSFs参与非生物胁迫机制等具有重要的理论意义和应用价值。

植物遭受高温干旱等胁迫危害时，热激蛋白作为重要的胁迫响应蛋白会启动保护机制，而植物热激转录因子是存在于细胞内调节热激蛋白表达的一类转录调节基因，在植物热胁迫信号转导和耐热性的产生过程中具有重要作用。目前，在拟南芥、水稻等模式生物中已有很多热激转录因子基因被报道，然而关于玉米HSFs功能及作用机制研究很少有报道。因此，对玉米热激转录因子基因研究对挖掘抗逆相关新基因、培育抗逆新品种、提高玉米产量具有重要意义。项目组通过转录组学差异分析克隆一个玉米ZmHsf22基因，其过量表达提高了水稻抗高温和干旱能力，并且对外源ABA比较敏感。同时获得了过量表达ZmHsf22基因的玉米转基因植株，本研究主要对ZmHsf22在玉米中的生物学功能及作用机制作了进一步研究，主要获得如下结果：过量表达 ZmHsf22 的转基因玉米植株在生长表型上与野生型植株没有明显差异。在干旱和高温迫处理后，ZmHsf22 转基因植株表现出对胁迫较强的耐受性。通过对相对电解质渗透率、丙二醛含量和脯氨酸含量等生理生化指标进行测定，发现转基因植株在胁迫条件下的相对电解质渗透率和丙二醛含量低于野生型植株，脯氨酸含量高于野生型植株。另外，相对失水率实验显示，ZmHsfA2转基因植株的失水率低于野生型植株。通过对胁迫应答功能基因的表达分析发现，在干旱条件下，ZmDHN3、ZmCIPK8、HSP18以及HSP70在ZmHsf22转基因拟玉米中的表达量显著高于野生型植株，表达被激活。对ABA 信号传导途径中关键基因ZmVP14的表达分析显示，该基因在干旱处理前后，在转基因植株中的表达都高于野生型植株。在高温条件下，HSP18、HSP70、HSP90以及HSP101的表达水平显著升高，但在转基因植株中的表达水平显著高于野生型植株。通过蛋白质截断技术发现ZmHsf22蛋白的活性区域主要位于230-280氨基酸之间。酵母双杂交实验表明ZmHsf22与ZmGNAT22可以相互结合。另外，BiFC实验显示ZmHsf22可以自身形成多聚体，同时可以与ZmHsfA5以及ZmEMP2相互作用。综上所述。ZmHsf22主要通过ABA信号途径，同时与ZmHsfA5、ZmEMP2、ZmGNAT22等蛋白协同作用，调控热激蛋白等抗逆功能基因的表达，提高转基因植株耐高温和耐旱性。本研究为深入了解玉米HSFs参与非生物胁迫机制以及利用基因工程的方法改