小麦HMGR和FPPS基因对细胞分裂素、赤霉素和脱落酸合成的调控研究

Cytokinins, gibberellins and abscisic acids are important isoprenoids synthesized by a series of enzymes involved in mevalonate pathway, and they are required in the essential biological processes of wheat growth, development and differentiation, among which cytokinins are a key factor in determining grain yield of wheat. Therefore, it is of critical importance to further investigate the regulatory function of key enzyme genes related to wheat growth and development in synthesis of cytokinin, gibberellin and abscisic acid involved in mevalonate pathway.. In this project, the wheat variety Jimai 22 with high yield and high quality is used as materials, and its young seedlings with two or three leaves are treated by intermediate metabolites or inhibitors of key enzyme 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGR) and farnesyl pyrophosphate synthase (FPS/FPPS) involved in mevalonate pathway, respectively. Through the study of gene transcription of key enzyme genes HMGR and FPPS, and their protein contents, and the expression of other enzyme genes, upstream and downstream in the mevalonate pathway, and genes in the related metabolic pathway, and the contant changes of cytokinins, gibberellins and abscisic acids, and the microscopic structure of root and stem apexes of wheat young seedlings treated or untreated by metabolites or inhibitors of HMGR and FPPS, it is to explicit the regulatory function of HMGR and FPPS in the synthesis of wheat phytohormones such as cytokinin, gibberellin and abscisic acid, and to provide the theoretic basis of application of key enzyme genes from metabolic pathway in wheat genetic improvement towards the increase of wheat yield.

细胞分裂素、赤霉素和脱落酸是通过甲羟戊酸代谢途径中合成的重要类异戊二烯物质，它们调控着小麦的生长、发育与分化，其中细胞分裂素是决定小麦籽粒产量的关键因素。因此，深入研究甲羟戊酸代谢途径中与小麦生长发育相关的关键酶基因在激素合成中的调控作用，对促进小麦产量的进一步提高具有重要意义。. 本项目以优质高产小麦品种济麦22为材料，利用甲羟戊酸代谢途径中3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR）和法呢基焦磷酸合酶（FPPS）的催化产物及其酶抑制剂对小麦幼苗进行处理。通过研究小麦处理材料中关键酶基因HMGR和FPPS的转录、酶蛋白含量及其上、下游酶基因及相关途径基因表达，细胞分裂素、赤霉素、脱落酸等激素含量变化，以及对根、茎尖显微结构的研究，明确小麦HMGR和FPPS基因在激素合成中的调节作用，为利用代谢途径中关键酶基因进行高产小麦遗传改良提供理论依据。

小麦是我国的主要粮食作物，其生长发育受甲羟戊酸代谢途径合成的细胞分裂素、赤霉素和脱落酸等植物激素的调节，深入研究HMGR和FPPS关键酶基因对这些激素合成的代谢调控，对优质高产小麦新种质创制以及促进小麦产量提高具有非常重要的意义。本项目以小麦品种济麦22的幼苗为实验材料，通过基因转录研究、转录组分析、植物激素含量测定以及细胞显微结构观察等方法，开展了利用甲羟戊酸代谢途径代谢产物及关键酶抑制剂创制小麦生长抑制生理突变型及根部表型显微结构的研究；代谢产物及关键酶抑制剂对关键酶基因表达影响的研究；关键酶抑制剂对其它代谢途径基因表达影响的研究；关键酶抑制剂对甲羟戊酸代谢途径及其它代谢途径植物激素合成影响的研究。研究结果表明，利用代谢产物500μM甲羟戊酸、2 μM 6-苄基腺嘌呤、10 μM赤霉素以及2 μM HMGR酶抑制剂mevinolin和5 μM FPPS酶抑制剂alendrate，成功获得了小麦幼苗生长抑制生理型突变体，显微结构观察发现，FPPS受酶抑制剂抑制后，通过抑制小麦幼苗根部细胞的伸长，导致了根的缩短；在一定低浓度下，代谢产物甲羟戊酸、6-苄基腺嘌呤和赤霉素能够促进小麦幼苗生长，可作为研制植物叶面肥的重要成分加以利用，但随其浓度的提高，对小麦幼苗生长具有反馈抑制作用，而且HMGR、MVK和FPPS关键酶基因表达水平显著下降；关键酶活性受抑制后，不仅导致小麦幼苗中甲羟戊酸代谢途径合成的细胞分裂素、赤霉素和脱落酸的含量降低，而且也使其它代谢途径产生的生长素、油菜素内酯等植物激素含量减少，关键酶基因HMGR、MVK和FPPS的表达水平显著下降，而其它代谢途径基因表达以上调为主，HMGR酶抑制剂处理比FPPS酶抑制剂处理在根茎部位上调、下调差异基因数量显著增多，差异基因都在苯丙氨酸代谢和淀粉蔗糖代谢方面显著富集。通过综合分析，推测参与同一代谢途径的HMGR和FPPS基因表达，可能接受相同代谢信号或相同调控因子的调控，并与其它不同代谢途径基因相互协调，调控植物生长所需植物激素等代谢产物合成的平衡，以维持小麦正常生长。