落叶松AP2/ERF家族分子特征分析及关键成员的功能研究

Larix is the most important timber and ecological species in China, and has a significant value. As the same time, as a typical representative of the gymnosperms, Larix constitute the most precious gene resources. However, the molecular research in this plant, which has a long growth cycle and complex genetic background, is still not well understood. Therefore, it is extremely necessary to carry out the molecular basis studies underlying the growth and developmental regulation in this plant, which will help strengthen the utilization of Larix gene resources, and also could accelerate the process of Larix breeding. The applicant insisted on for a long time, focusing on the field, and performed the corresponding researches. This provides a good foundation for the completion of the project. Based on the Solexa high-throughput sequencing data of Larix heterotic hybrid finished in our previous study, we will analyze Larix AP2/ERF superfamily by using the bioinformatics analysis, Real-time PCR and transgene technologies. The objectives of this study are to gain a global view of the structural features and evolutionary characteristics in Larix AP2/ERF superfamily, as well as the function and regulation of the key genes in the related pathways. This research will have a significant importance in deeper understanding of the growth and developmental mechanisms in Larix, and ultimately, guiding the genetic improvement of Larix and other related species.

落叶松是我国重要的用材和生态树种，具有极其重要的应用价值，同时作为裸子植物的典型代表，其种内蕴藏着丰富的基因资源。但是鉴于落叶松自身的生物学特点，生长周期长、基因组大，对其分子生物学研究相对较为滞后。为加强落叶松基因资源的利用，并加快落叶松育种的进程，有必要开展落叶松生长、发育调控的分子基础研究，申请人长期坚持和开展相关的研究，为项目的完成奠定了良好的基础。本项目在落叶松优势杂交子代转录组测序数据的基础上，综合运用生物信息学、实时定量PCR、转基因等技术和方法，从落叶松AP2/ERF转录因子家族入手，全面解析落叶松AP2/ERF转录因子家族的结构特征和进化特征，并对与落叶松生长、发育密切相关的AP2/ERF转录因子的调控机制及功能特征进行深入研究。这对揭示落叶松生长、发育的分子基础具有重要科学意义，同时对利用功能基因对落叶松和相关作物进行品种改良及育种具有重要的指导意义和较高的应用价值。

本项目自立项之初，项目组成员围绕项目书中所涉及的研究内容全面开展工作，经过三年的共同努力，取得了一系列的研究进展，很好地完成了项目任务书中预期的研究目标，取得了一些具有较高科学价值的研究成果。具体研究成果如下所示：1. 基于落叶松转录组测序数据，通过进一步的数据挖掘和分析，首次较为全面的在裸子植物落叶松中分离获得了50个AP2/ERF转录因子家族成员序列信息。2. 系统揭示了落叶松AP2/ERF家族转录因子的序列信息和结构特征，根据分析结果将落叶松中50个AP2/ERF转录因子分别归为4个亚家族，其中7个成员归为AP2亚家族、17个成员归为DREB亚家族、20个成员归为ERF亚家族、5个成员归为RAV亚家族、另外1个成员为Soloist。3. 完成了落叶松AP2/ERF家族系统进化特征和结构特征的分析，发现落叶松虽为裸子植物，但AP2/ERF家族转录因子在进化过程中仍与拟南芥、杨树、水稻和葡萄等物种具有相对较高的保守性，特别是AP2结构域。4. 详细阐明了落叶松中AP2/ERF家族转录因子蛋白的二级结构特征和三级结构特征。5. 根据落叶松中AP2/ERF家族转录因子的表达特征，筛选并确定了2个可能在落叶松生长发育过程中起关键调控作用的转录因子。6. 详细阐释了落叶松AP2亚家族成员LkANTL1基因的功能，通过成功构建了35S::LkANTL1植物转基因表达载体，获得了落叶松LkANTL1基因过表达的转基因植株，证实了LkANTL1基因的过表达可促使植株生育期提前，在相同的生长条件下35S::LkANTL1转基因植株的子叶、叶片、根和角果等器官较对照组植株明显增大，同时过表达落叶松LkANTL1基因会影响植株光合特性以及光合色素和淀粉等主要内含物的含量。7. 系统揭示了落叶松AP2亚家族另外一个成员LkAP2L2的功能，利用35S::LkAP2L2植物转基因表达载体获得了LkAP2L2基因过表达的转基因植株，与对照组植株相比，35S::LkAP2L2转基因植株分支数量明显增多，但花的形态发生异常，并导致角果变小，种子的数量明显减少，同时植株的光合特性和主要内含物的含量也发生了明显的变化。最终依托本项目在SCI收录期刊发表2篇，在国内一级学报和核心期刊发表论文6篇，培养研究生3名，同时依托本项目申请专利1项。