芹菜AP2/ERF家族转录因子表达调控及复制进化研究

Plant growth and productivity are greatly affected by environmental stresses such as drought, high salinity, and low temperature, which have an adverse effect on the growth of plants and the productivity of crops. Many transcription factors involved in these stress-resistance pathways have been identified, among which the AP2/ERF are one of the most important factors. AR2/ERF is a large family of transcription factors in higher plant, encoding transcriptional regulators with a variety of functions involved in the developmental and physiological processes. Apium is a plant species in the family Umbelliferae. There are mainly two types, commonly known as celery and cress.We have collected a lot of germplasm resources of Apium. Transcriptome of four A. graveolens core germplasm resources (one kind of cress and three different kinds of cold-tolerance celery) have been sequenced with high-throughput sequence system. On the basis of those results, the project mainly focus in some areas are highlighted below. The establishment of an extensive picture of the AP2/ERF gene family in Apium shall be attempted. We shall identify and clone all of AP2/ERF family genes from celery and cress. Then, the expression patterns shall also be assessed in detail. The putative gene duplication and evolution of AP2/ERF family transcription factor shall be analyzed. Using yeast one-hybrid system, the more binding activity AP2/ERF transcription factor from Apium shall be selected. The function of those factors shall be studied by transgenic Arabidopsis plant. The project shall not only help to ascertain Apium transcription factor gene regulatory network, also help obtain some functional gene from Apium.

AP2/ERF家族转录因子能特异地结合相关顺式作用元件，通过参与信号转导途径，调控大量逆境应答基因的表达，由这些基因产物来协助植物适应或抵御逆境。芹菜，属伞形科植物，有水芹、旱芹两种。本课题组已搜集整理大量的芹菜种质资源，完成了1份水芹和3份抗寒性不同的旱芹转录组高通量测序。本项目基于测序数据，分离、克隆芹菜中全部AP2/ERF家族转录因子基因，开展全基因组水平该家族转录因子的研究。完成芹菜中AP2/ERF基因在不同组织器官与发育时期、各种逆境及激素处理下的转录水平研究。分析芹菜AP2/ERF转录因子复制进化关系，初步解析芹菜转录因子调控网络并分析家族内相互关系。通过酵母单杂交系统筛选与相关顺式元件结合能力强的转录因子，通过拟南芥转基因验证，获得抗逆性能较好的芹菜转录因子。本研究有基础，研究内容和方法有新意，有利于阐明伞形花科植物转录因子的调控机制，促进伞形花科植物转录因子基础研究。

芹菜属于伞形科、芹属的二年生草本植物，是一种世界范围广泛种植的伞形科蔬菜作物，是我国广泛种植的重要叶菜类蔬菜。芹菜富含膳食纤维和多种营养成分，具有较高的经济价值。在非逆境胁迫下，芹菜植株的生长和发育会受到制约和影响。AP2/ERF家族转录因子在植物生长发育和逆境响应中有重要的作用。本项目基于芹菜基因组和转录组信息，获得209个芹菜AP2/ERF家族转录因子，可以分为ERF、DREB、AP2、RAV和Soloist等5个亚族。分析了芹菜AP2/ERF家族转录因子逆境响应表达。芹菜与不同物种间AP2/ERF家族转录因子的进化分析显示AP2结构域在进化过程中是高度保守的。项目第一次基于基因组和转录组开展了芹菜AP2/ERF家族转录因子的分析，对于芹菜逆境调控和分子进化研究具有一定的意义。基于获得转基因植株开展了芹菜AP2/ERF家族转录因子的功能研究。分别以 ‘六合黄心芹’、‘津南实芹’、‘文图拉’为材料，克隆出编码芹菜AP2/ERF家族转录因子基因AgDREB1、AgDREB3、AgERF4等。采用生物信息学方法对氨基酸组成、理化性质、进化关系、空间结构等进行了分析。序列分析表明，芹菜AP2/ERF家族转录因子在植物中高度保守。AgERF4基因在芹菜叶片中的表达水平较高，在根和叶柄中表达水平较低。高温和干旱条件下AgERF4的表达呈先上升后下降的趋势，在盐处理的24 h内AgERF4的表达始终高于对照。AgERF4转录因子在芹菜非生物逆境胁迫调控过程中起着重要作用。芹菜中AgDREB1基因在根中表达最高，而且该基因与芹菜非生物胁迫相关。项目运用结构观察、基因表达、酵母单杂交、基因过量表达等技术，结合基因组、转录组和蛋白质组学等分析手段，分别从转录组、蛋白质组、基因组等水平研究不同非生物胁迫下芹菜AP2/ERF家族转录因子的逆境调控和分子进化机制，以期为培育芹菜新品种提供理论依据。项目也通过转录组、小RNA、蛋白质组、芹菜遗传转化、芹菜遗传育种等技术开展了芹菜内参、逆境响应，品质性状，生长发育等方面的研究工作。研究结果将进一步深化AP2/ERF家族转录因子对芹菜逆境调控和分子进化的机制，为芹菜品质改良与优质蔬菜开发提供依据。