TabZIP15基因调控小麦非生物抗性的功能和分子机制研究

The optimum tolerance to abiotic stresses is an important trait for sustainable productivity and high yield potential of crops, therefore, discovering the abiotic stresses tolerance genes and analyzing their function are of theoretical significance and application value. In our previous works, an abiotic stress tolerance related gene TabZIP15 was screened, which can improve the tolerance of transgenic Arabidopsis to abiotic stresses. In this work, we will decipher the effect of TabZIP15 on wheat abiotic stress tolerances through series experiments. The temporal and spatial expression patterns, as well as expression patterns of TabZIP15 respond to abiotic stresses will be characterized at transcription and protein expression level; The regulation of TabZIP15 on wheat abiotic stresses tolerance will be determined based on the analyzing of the transgenic wheat with over-expressing TabZIP15 and the gene editing materials; The interacting protein of TabZIP15 and its direct regulated downstream genes will be screened by Y2H and ChIP-seq methods; The allelic variations of TabZIP15 and their effects on the abiotic stresses tolerance in wheat will be conducted using the wheat mini-core collections and their introgression lines. Through the above research, we hope to uncover the function and molecular mechanisms of TabZIP15 on regulation of abiotic stresses tolerance, and provide new information on the genetic and molecular control of abiotic stresses. And ultimately provide optimum candidate gene for wheat breeding.

抗逆性是保证作物高产稳产的重要性状，因此小麦抗逆调控基因的挖掘与功能解析具有重要的科学意义和应用价值。在前期工作中，鉴定了一个与小麦抗逆相关的转录因子基因TabZIP15，过表达该基因显著提高了转基因拟南芥对干旱和冻害胁迫的抗性。本项目拟对TabZIP15在小麦中调控非生物抗性的功能机制进行深入研究，包括从转录水平及表达水平分析TabZIP15时空表达特性及在不同逆境胁迫条件下的表达模式；通过对过表转基因小麦基及因编辑材料的表型分析，明确TabZIP15对小麦非生物抗性的调控作用；通过酵母双杂交及ChIP-Seq方法筛选TabZIP15互作蛋白及调控的下游基因；利用小麦微核心种质及其导入系群体，通过关联分析及连锁分析的方法研究TabZIP15基因多样性，挖掘其优异等位基因。通过以上研究以期阐明TabZIP15调控小麦抗逆的功能，丰富小麦抗逆调控的理论，并为小麦新品种培育提供优异基因资源。

bZIP蛋白是真核生物中普遍存在的一类转录因子，不仅参与调控了多种生物学过程，并且在植物对胁迫的反应中扮演着重要的角色，然而，目前在小麦中对非生物胁迫诱导的bZIP转录因子的功能研究仍不深入。本研究将TabZIP15基因在小麦中过表达，对基因分别进行序列分析、亚细胞定位、表达分析和功能验证，以此解析TabZIP15在小麦中抵御非生物胁迫的调控机制。.序列分析表明，TabZIP15的全长cDNA为1 255 bp，开放阅读框为756 bp，编码251个氨基酸，其蛋白质预测分子量为27.178 kD，等电点为8.38，预测其蛋白质结构包含4个α-螺旋。同源进化分析表明，TabZIP15和一个来自粗山羊草(Aegilops tauschii)的序列相似性最高。亚细胞定位结果表明，TabZIP15是一个定位于细胞核的蛋白。qRT-PCR分析表明，在低温、ABA(脱落酸)、PEG(聚乙二醇)和盐处理后均能够诱导TabZIP15表达，且TabZIP15在不同组织中的表达量不同。为了验证TabZIP15在小麦干旱和盐胁迫中的功能，将该基因在科农199(KN199)中过表达。在苗期进行耐盐鉴定表型观察发现盐处理组4个TabZIP15转基因株系和野生型KN199的地上部生长均受到了不同程度的抑制；主要生理指标测定表明，盐胁迫会严重降低小麦幼苗的株高和地上部鲜重，而TabZIP15转基因小麦相较野生型KN199，在盐胁迫处理后能维持较高的株高、地上部鲜重、根长和根鲜重。苗期反复干旱实验结果表明，第1次干旱处理后，绝大部分材料能够存活，TabZIP15转基因小麦的平均存活率高达92.08%；第2次干旱处理后，TabZIP15转基因小麦的平均存活率下降至35.61%；第3次干旱处理后，TabZIP15转基因小麦的平均存活率仅为3.46%，且TabZIP15转基因小麦的存活率明显高于对照KN199，这说明TabZIP15转录因子可以提高小麦在苗期的抗旱性。qRT-PCR分析表明，9个抗逆相关基因在TabZIP15转基因株系中的表达量都显著高于对照KN199。这些结果表明过表达TabZIP15基因通过激活抗逆相关基因的表达，提高了转基因小麦非生物抗性。