WOX调控饲用植物构树异形叶形态建成机制研究

The paper mulberry is a kind of important plant resource for utilization. The size and shape of the leaves directly affect Silage Yield. There are many difference about the leaf shape in different development stage of the paper mulberry. However, the leaf morphogenesis and the formation of heterophylly have never been investigated in the paper mulberry. The WOX genes are known to play important roles in regulating the development and morphogenesis of plant leaf. Thus, the key WOX genes played key roles in the leaf development will be screened from the paper mulberry. In order to discern the function of the WOX genes in the leaf morphogenesis and proce, bioinformatics and bimolecular fluorescence complementatio will be adopted in this study. To clarify the developing rule of the paper mulberry’s leaf heterophylly, three kinds of the paper mulberry strains (overexpressed, mutant and control) were used to observe structures of various types leaf, detect the metabolism, physiological processes and gene expression of leaf development, etc. This study will be helpful for the knowledge accumulation of exploring the function of WOX genes involved in the formation of heterophylly. Additionally, it will provides theoretical basis for breeding new cultivar and benefit for the increasing the crude protein feedstuff production of paper mulberry.

构树是一种具有重要经济利用价值的资源植物。叶片的大小和形状直接影响青贮饲料产量。构树不同发育阶段的叶片形状各异，为典型的异形叶性，而目前构树叶片形态变化机理尚无研究。因此，本项目以野生型和突变体构树为研究材料，以WOX基因为切入点，采用CRISPR/Cas9基因编辑、过表达、转录组测序和生物信息学分析、原位杂交、双分子荧光互补实验等技术，对WOX基因超表达和功能缺失的构树进行系统研究；对不同形状的构树叶片进行结构观察，检测叶片发育过程中的生理生化指标、基因表达数据等，阐明构树异形叶性的形成规律，解析WOX基因在构树叶片形态建成过程中的作用机制。本研究为揭示WOX基因在构树异形叶形态建成中的作用机制积累理论知识，具有重要的科学意义；同时，本研究为提高构树粗蛋白饲料产量，培育饲用杂交构树新品种提供技术指导，具有广阔的应用前景。

本项目围绕构树异形叶性的生物学特点，从WOX及其互作蛋白YAB和TCP等转录因子为切入点，系统的研究异形叶性的成机制，取得了以下研究结果：（1）从构树中克隆到10个WOX，BpWOXs的表达具有组织特异性，且受到干旱、盐碱和低温多种胁迫诱导高表达，均定位在细胞核内，但是转录激活能力差异较大；（2）根据裂口指数、裂片长宽比、裂刻指数可以将构树的异形叶分为三类：掌状浅裂叶、掌状中裂叶和掌状深裂叶。构树叶片形状在叶原基P2阶段就开始确定，与全缘叶相比，全裂叶的叶片面积小、气孔密度低、气孔较大，净光合速率低；全裂叶中有21种化合物，而全缘叶中只有14种。全裂叶中各种类黄酮、矢车菊素的含量比全缘叶中高，全裂叶的抗氧化能力也高于全缘叶；但是，全缘叶中IAA和GA两种激素高于全裂叶；（3）BpWOX基因突变后，构树叶片为掌状深裂；通过对突变体、野生型以及不同叶形的自然群体材料进行转录组测序，构建了构树叶片发育的调控网络，初步构建了BpWOX调控构树异形叶性建成机制；（4）另外，本研究还对于WOX互作的YAB和TCP转录因子进行了初步的分析。BpYAB4随着裂叶程度的加深而上调表达，异源表达BpYAB4会导致拟南芥叶片变小并向下卷曲，果荚变短种子变小，说明YABBY基因除了调控叶片发育还可能参与种子的发育。BpTCP8、BpTCP14和BpTCP19都在腋芽中高丰度表达，tcp8、tcp14和tcp19的突变导致构树分枝变多且影响叶片发育的起始。通过本项目的实施，初步揭示了构树异形叶的形成生理特征以及WOX参与调控的形态建成机制，为植物叶片发育提供基础数据，也为饲用构树新品种培育提供了参考。在本项目的资助下，发表SCI论文6篇，申报并授权专利3个。