番茄锌指蛋白基因SlZF6调控“Telophase-like”果形的分子机理研究

Fruit-shape is an important agronomic trait for fruit-bearing horticultural crops, and it is also one of the critical determinants for fruit exterior quality as well as an essential target in domestication and genetic improvement of horticultural crops. Therefore, it is significant to identify important regulators on fruit shape and to characterize their underlying molecular mechanisms, which will enrich our knowledge on fruit development and be applicable in genetic improvement of fruit-shape trait. The applicant of this project has been making long-term efforts in the identification and functional characterization of tomato agronomically important genes. In our previous study, we have isolated a zinc-finger encoding gene, SlZF6, which controls the development of tomato fruit-shape. The transcripts of SlZF6 gradually increase till the yellow mature stage, and decrease during the ripening stage of tomato fruit. Rare fruit-shape designated as “Telophase-like”, which mimics the shape of a dividing cell at the telophase stage, has been created when SlZF6 is overexpressed in tomato plants. Base on these important progresses, this project aims at elucidating the molecular mechanism of SlZF6 which controls fruit-shape, by using integrative approaches. The dynamic distribution and concentration of auxin and cytokinin during the fruit development of transgenic plants will be investigated using hormone reporter systems. The regulatory network of SlZF6 will be studied by identifying its downstream target genes and interacting proteins using Chromatin Immunoprecipitation Sequencing (ChIP-Seq) and protein-protein interacting approaches, respectively. The research results will be helpful in understanding the molecular basis of fruit-shape development, and it will also provide new gene resource for fruit genetic improvement.

果实形状是果实类园艺作物的重要农艺性状，是果实外观品质的重要决定因子，也是园艺作物驯化和遗传改良的重要目标。发掘和研究果形的重要调控因子，深入解析其分子机理，对于丰富果实发育理论、指导果形遗传改良具有重要意义。申请人长期从事番茄功能基因发掘和研究，在前期研究中，我们从番茄中克隆了一个调控果实形状的锌指蛋白基因SlZF6。该基因随番茄果实发育至黄熟期表达逐渐增加，红熟期表达下降；超表达该基因的番茄果实形状出现类似分裂后期细胞的罕见果形（定义为“Telophase-like”）。本项目拟在此基础上，利用生长素和细胞分裂素报告系统研究转基因植株果实中这两种激素含量和分布的变化；重点利用染色质免疫共沉淀结合高通量测序技术以及蛋白质互作研究等手段深入研究SlZF6的调控网络，揭示其控制番茄果形变化的分子机制。研究结果将有助于阐明果实形状发育的分子机理，同时能为果实遗传改良提供新的基因资源。

番茄是全球最重要的蔬菜作物，也是基础研究的一种重要模式植物。锌指蛋白是真核生物基因组中最丰富的一类转录因子，参与植物生长发育、品质以及抗逆调控等过程。项目前期发现几个锌指蛋白基因参与了番茄的盐胁迫响应过程，为此开展了该类基因的功能研究。系统研究了番茄锌指蛋白BBX家族成员的数目、结构、聚类、亚细胞定位，以及组织和激素/胁迫诱导表达模式。针对锌指蛋白基因SlZF3开展了转基因研究，发现SlZF3过表达番茄株系出现植株矮化、开花延迟、果形变化、维生素C含量增加以及抗逆性提高等多方面表型，围绕这些表型开展了深入研究和机理解析。发现SlZF3通过赤霉素途径调控番茄植株节间伸长，GA20ox4是其中的一个重要靶基因。SlZF3是开花时间的负调控因子，通过光周期途径调控开花，SFT是SlZF3的下游靶基因，SlZF3可以结合到AtFT启动子上。SlZF3与SlCO直接互作，该互作影响CO结合FT启动子的活性。SlZF3超表达植株的果实形成Telophase-like果形，并且果柄明显增长，FAS可能是影响该果形性状的下游靶基因。SlZF3还可以通过竞争结合光形态建成信号复合体COP9的CSN5B亚基，抑制CSN5B对维生素C合成途径的关键酶VTC1的降解而调控维生素C的积累，进而使得植株活性氧清除能力增强，植株耐盐抗旱能力随之提高。项目执行期间邀请了3位外国专家来华交流，2名博士生赴国外参加学术会议1次。通过项目实施，对锌指蛋白BBX家族成员进行了全面分析，为进一步开展功能研究奠定基础；解析了SlZF3在株高、花期、果形、营养和抗性方面的功能和作用机理。通过项目资助已培养博士生2名，硕士生1名，发表SCI论文7篇，申报专利2项。项目研究成果丰富了番茄果实和植株发育的理论，为番茄的遗传改良提供了新的基因资源和理论指导，具有重要的理论意义和应用价值。