调控香鳞毛蕨腺毛发生的基因的克隆和功能解析

Glandular trichomes are trichomes which could secrete or store large quantities of specialized metabolites. Pteridophyte is the transitional group from bryophyte to spermatophyte, and it is also the most original group of higher plants with glandular trichomes. Volcanic fern Dryopteris Fragrans (L.) Schott, which mainly distributes in Heilongjiang, has unique geographical and resource advantages. Meanwhile, as the first branch of existing Dryopteridaceae Dryopteris plants, Dryopteris Fragrans also has unique multi-cell glandular trichomes, which makes it an ideal material for the study of the origin of glandular trichome in higher plants. However, basic molecular mechanisms governing the glandular trichome morphogenesis in Dryopteris Fragrans is unknown. The project intends to use laser micro-dissection and transcriptome sequencing technology, and the integrated approches based on botany, chemistry, genetics, and molecular biology to characterize genes regulating glandular trichome morphogenesis in Dryopteris Fragrans. The results will reveal the regulatory mechanism of glandular trichome morphogenesis in the early terrestrial plants, and enrich the existing basic theory involved in molecular biology and gene expression regulation in ferns.

腺毛是具有分泌功能的表皮毛。蕨类植物是介于苔藓植物与种子植物之间的过渡类群，是最早分化出腺毛的陆生植物。香鳞毛蕨是以黑龙江省为分布中心的、具有独特地域和资源优势的火山岩生蕨类植物，作为鳞毛蕨科鳞毛蕨属中最早分化的古老类群，其特有的多细胞分泌性腺毛结构使其成为研究高等植物腺毛发生起源的理想材料,但其发生的调控尚不清楚。本项目拟采用激光显微切割技术和转录组测序技术，并综合运用植物学、化学、遗传学，分子生物学等多学科交叉的方法鉴定和研究调控香鳞毛蕨腺毛发生的基因，探究香鳞毛蕨腺毛发生的调控机制。研究结果将揭示早期陆生植物腺毛发生的调控机制，丰富现有的蕨类植物分子生物学和基因表达调控的基础理论。

香鳞毛蕨是以黑龙江省为分布中心的、具有独特地域和资源优势的火山岩生蕨类植物。然而作为最早的维管植物，其特有的单一细胞构成的腺毛头细胞结构使其成为研究高等植物腺毛发生起源的理想材料，但其腺毛发生的调控机制尚不清楚。本项目采用转录组测序技术，筛选了调控香鳞毛蕨腺毛发生的10个候选基因:MYB2, MYB7, MYB9, ZPF5, ZPF6,PDF2,SPY4,BHLH82,MYC2,GL2，并将各基因在被子植物拟南芥、烟草和蕨类植物香鳞毛蕨、粗梗水蕨等植物中进行功能验证，以探究香鳞毛蕨腺毛发生的调控机制。我们克隆了DfMYB2、DfMYC2，在拟南芥转化验证中，DfMYB2和DfMYC2超表达株系表皮毛的数量没有显著变化，这表明香鳞毛蕨腺毛发生的机制可能不同于棉纤维等被子植物的腺毛发生机制；同时，我们的研究结果显示DfGL2在香鳞毛蕨腺毛中具有表达，这说明香鳞毛蕨腺毛的发生机制与被子植物表皮毛发生也有相似性。本工作有助于揭示早期陆生植物腺毛发生的调控机制，并丰富现有的蕨类植物分子生物学的基础理论。