拟南芥ABI5亚家族九个成员的生物学功能的精细比较研究

There are nine members of the Arabidopsis ABI5 subfamily, which belong to the basic-leucine-zipper transcription factors. The nine members of the subfamily are highly homologous and play roles in seed maturation, dormancy, flowering, ABA and stress responses during plant growth and development. Because of the presence of transactivity-controlling regions in these transcription factors, plants of overexpressing a single complete transcription factor of the subfamily usually fail to show a distinct phenotypic variation. Because of the gene redundancy among the nine members of the subfamily, there were no significant changes in the genetic phenotype of the single member mutant plants. In this regard, the applicants intend to characterize the spatial and temporary expressions of the nine members of the subfamily, transcriptomic changes and phenotypic changes of the transgenic Arabidopsis plants with overexpressing the transcriptional activation patterns of the nine members, and the heterodimers formed among the nine members, and to elucidate the accurate roles of the nine members of the ABI5 subfamily in Arabidopsis during growth and development and environmental stress responses.

拟南芥ABI5亚家族有九个成员，属于碱性亮氨酸拉链类转录因子。该亚家族九个成员高度同源，它们在植物生长发育的种子成熟、休眠、开花阶段以及ABA等激素和干旱/高盐/高渗等逆境响应中发挥作用。由于这些转录因子中存在着转录活性调控区域，超表达单个完整的转录因子通常看不到明显的遗传表型变化。再由于该家族九个成员间的基因冗余，单个成员的突变体植株的遗传表型变化也不明显。对此，申请者拟通过分析ABI5亚家族九个成员的时空表达特性，各成员转录激活活性模式超表达时引发的下游基因的表达类型以及转录激活活性模式超表达时转基因植株的遗传表型变化，亚家族九个成员间可形成同/异二聚体的模式等研究工作阐明拟南芥ABI5亚家族九个成员在拟南芥生长发育期间以及环境逆境响应过程中各自的精细生物学作用。

长期以来，因ABI5亚家族转录因子中存在转录活性调节区域，以致过表达该亚家族基因的转基因植株观察不到明显的遗传表型，也对深入了解ABI5亚家族9个成员的精细功能及它们之间的相互作用形成了阻碍。本项目通过去除ABI5亚家族转录因子的转录活性调节区，选择转录激活活性最强的DPBF4的CRII，分别连接ABI5亚家族9个成员的DNA结合区（bZIP区域）构建重组基因，遗传转化拟南芥后观察各转基因株系的遗传表型及其活化的下游基因。据此，我们取得了如下创新性结果：.① ABI5亚家族9个成员基因表达的时空特性.首次在同一平台上检测、比较了ABI5亚家族9个基因在拟南芥全生长期以及不同组织中的表达状况，以及在ABA、低渗、高盐和低温处理下的各成员表达的变化。首次检测并报道了At5G42910基因表达的信号及其组织特异性。.② 重组活性ABI5亚家族转录因子可激活的下游基因.首次报道了过表达ABI5亚家族单个成员基因的植株中激活的下游基因。过表达重组活性rABI5基因的拟南芥植株中，ABI5基因、RD29A和RD29B、FLC、SHB1、AtEM1和AtEM6等基因的表达量随着幼苗的生长发育先上升后下降。过表达重组活性rABF1基因的拟南芥植株中，检测到5个基因的表达明显上调，它们参与了低温响应、半胱氨酸转运、GPRS转录因子、泛素和脯氨酸代谢等过程。.③ 过表达重组活性ABI5亚家族转录因子的转基因植株表型变化.首次报道了过表达ABI5亚家族单个成员转基因植株的显著且稳定地遗传表型。rABI5基因的转基因植株表现出种子萌发提前、抽薹开花提前、抗旱性增强、种子千粒重增加等遗传表型。这些原创性重要成果因其在作物育种领域潜在的应用前景，均已申报国家发明专利并获授权。过表达rABF1基因的转基因植株表现出种子萌发提前、植株高度增家加、单株抽薹数增多、莲座叶数量增多、植株的抗寒性明显增强。过表达rDPBF2基因、rDPBF3、rDPBF4和rDPBF5的转基因植株表现出种子萌发提前、抗旱性和抗盐性显著增强。过表达rAt5G42910基因的转基因植株表现出种子萌发提前、植株高度增家加、单株抽薹数增多、植株抗盐性增强等等优良性状。