白菜离区发育相关多聚半乳糖醛酸酶基因BcAZPG1的功能鉴定

The present project is based on our previous study on the new polygalacturonase (PG) gene BcAZPG1 related to the abscission zone development, which is identified by the structure, evolution and expression pattern analysis of PG gene family members in Brassica campestris. First, qRT-PCR, in situ hybridization and gene-specific promoter analysis will be used to investigate the exact spatial and temporal expression patterns of BcAZPG1. Then, over-expression, RNA interference(RNAi), prokaryotic expression, and eukaryotic expression technology will be employed to identify the biological function and the biochemical properties of BcAZPG1. Using the transgenic plants mentioned above, the role played by several plant hormones including auxin, ethylene, abscisic acid and jasmonic acid in the regulation of BcAZPG1 will be investigated. These studies will present essential information for deep understanding of the relationship among the structure, evolution and function of PG gene family members, and the role played by PG genes and its regulatory mechanism in the abscission zone development of cruciferous plants, and they will also provide basis for improving the yield, quality and efficiency of properties improvement of vegetables and other crops.

本项目以前期对白菜PG基因家族成员的结构、进化与表达模式分析中，发现的1个与离区发育密切相关属于F亚类的新基因BcAZPG1为基础，首先利用qRT-PCR、组织原位杂交、基因特异启动子融合表达等方法分析该基因在离区发育中的确切表达模式，然后通过基因过表达技术、RNAi技术及原核和真核表达的方法，重点对该基因进行生物学功能鉴定和生化特性分析，继而利用获得的目的基因特异启动子融合表达及目的基因过表达和受抑制的转基因材料，分析它们在外源施加生长素、乙烯、脱落酸和茉莉酸几种植物激素条件下的表型变化、生理生化特征及目的基因表达变化等，明确不同植物激素对该基因的具体调控作用。这些研究将为深入理解PG基因家族成员的结构、进化与其功能的关系及PG基因在白菜等十字花科植物离区发育中的作用及其调控机制提供新的数据支撑，为有效控制蔬菜等农作物产量和品质及性状改良效率的提高提供依据。

离区发育是植物完成生活周期的重要组成部分，直接关系到蔬菜等农作物产量高低、品质优劣和性状改良等一系列农业问题。多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase, PG）是参与细胞壁果胶代谢的一种重要的水解和疏松酶，与植物发育中的许多细胞分离过程有关。项目在前期对白菜 PG 基因家族进行的综合分析基础上，克隆和分析了在白菜花器官离区高表达的一个PG基因（BcAZPG1）的核苷酸序列和启动子序列的特征及所编码蛋白质的理化性质和进化特征，发现BcAZPG1是一个属于植物PG家族F亚类的膜外蛋白，其启动子序列中含有多个与脱落酸、乙烯等植物激素调控相关的元件；利用qRT-PCR鉴定了BcAZPG1在白菜不同组织器官中的确切表达模式，该基因在花中的表达量最高，在角果中表达量最低，在未授粉的雌蕊中表达量均高于授粉的雌蕊；构建了BcAZPG1的启动子融合表达载体并对其在花器官离区的时空表达模式进行了进一步的分析，该启动子片段能够在洋葱表皮细胞中启动GFP基因的表达，同时能在拟南芥授粉受精后花托的离区中特异启动基因的表达；构建了BcAZPG1的过表达载体、RNA干涉载体并进行了白菜遗传转化，获得了BcAZPG1的过表达和敲除的转基因白菜株系；构建了BcAZPG1的原核表达载体并进行了诱导表达分析；同时，为了更好的认识植物离区发育相关PG基因的结构、表达和生物学功能，项目对近年来植物PG基因在结构与分类、表达、生物学功能及调控等方面的研究进展进行了归纳和总结。这些研究对于深入认识PG基因在白菜等十字花科植物离区发育中的作用机理及其调控机制，有效控制蔬菜等农作物的性状改良、产量和品质的提高等具有重要的理论意义和应用价值。