玉米ORA47调节OPDA合成及OPDA独立响应逆境胁迫的分子机制研究

Maize (Zea mays) is one of the important food crops and industrial materials in the world. Social development and environmental degradation, abiotic stress, including salinity and drought, have become important factors affecting the growth and yield stability of maize. 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) is a precursor of jasmonic acid (JA) synthesis in plants, and could also act as a signal molecule to regulate the expression of genes clusters and activate the processes of plant adaptation through JA-independent signaling pathways. However, there was few studies on the molecular mechanism of OPDA synthesis and OPDA-dependent signal transduction. This study found that ZmORA47, a maize AP2/ERF transcription factor, could specifically bind to the promoters of multiple genes involved in the synthesis of OPDA, thereby regulating the synthesis of OPDA. The project intends to study the mechanism of ZmORA47 regulating the synthesis of OPDA and responding to abiotic stress, and sequence the full-length of ZmORA47 in 500 maize inbred lines, which to identify significant natural variations associating with stress resistance and develop the functional markers. In addition, utilizing multiple discipline approaches, including RNA-seq, proteomics and yeast library screening, were used to analyze the molecular mechanism of OPDA as an independent signal molecule to response to abiotic stress, thus laying a solid theoretical base for molecular breeding and production applications.

玉米是世界上重要的粮食作物和工业原料之一。由于社会发展及环境恶化，盐碱和干旱等逆境胁迫成为影响玉米生长及产量稳定的重要因素。12-氧-植物二烯酸（OPDA）是植物体内茉莉酸（JA）合成的前体，可以作为信号分子并通过不依赖于JA的信号途径调节特异性基因的表达，但是目前对于OPDA合成及独立响应信号调节的分子机制则缺乏研究。本研究发现，玉米AP2/ERF类转录因子ZmORA47可以特异性结合玉米OPDA合成相关多个基因的启动子，进而调控OPDA合成。本项目拟在此基础上，对ZmORA47调控OPDA合成及响应逆境胁迫的机制展开研究，同时测定该基因在500份玉米自交系中的基因全长，鉴定与抗逆性状显著关联的自然变异，开发功能标记。此外，通过RNA-seq、蛋白质组学和酵母文库筛选等方法对OPDA独立作为信号分子调节逆境胁迫的分子机制深入分析，为其在玉米分子育种和生产实际中的应用奠定理论基础。

12-氧-植物二烯酸（OPDA）是植物体内茉莉酸（JA）合成的前体，可以作为信号分子并通过不依赖于JA的信号途径调节特异性基因的表达，但是目前对于OPDA合成及独立响应信号调节的分子机制则缺乏研究。本项目前期通过比较转录组学发现玉米中一个新的AP2/ERF转录因子ZmORA47（ZmEREB57），在盐处理下明显上调；然而其功能仍不清楚。经过进一步研究，本项目获得的主要研究结果如下：（1）ZmEREB57是一个具有转录激活活性的核蛋白，能够被多种非生物胁迫所诱导。（2）创建ZmEREB57基因敲除玉米转基因株系，并分析其耐盐表型，发现ZmEREB57正向调控玉米耐盐能力。（3）采用DAP-Seq分析显示，ZmEREB57主要与含有O-box like（CCGGCC）作用元件的基因启动子结合，调节其靶基因的表达。（4）体外结合实验表明ZmEREB57可以直接与ZmAOC2基因的启动子结合，调控ZmAOC2的表达，进而影响OPDA和JA的积累。（5）利用转录组分析发现OPDA和JA能够特异性诱导某些基因的表达响应盐胁迫。（6）应用OPDA和JA生物合成的突变体进行表型分析发现，OPDA可以作为信号分子诱导特异性基因的表达调控盐胁迫。本项目研究结果证明了ZmEREB57可以通过调节OPDA和JA的合成响应盐胁迫，并进一步证实OPDA可以独立作为信号分子在响应逆境胁迫的调节中发挥作用。本项目为OPDA和JA参与盐胁迫应答积累新的资料，也为创制玉米耐盐新种质/品种提供理论支持和可靠的耐盐新基因。