毛白杨转录因子PtoRAP2.2蛋白磷酸化调控水淹胁迫响应的分子机制研究

Flooding seriously affects terrestrial plant growth, breeding plant cultivars with flooding tolerance is an important strategy to cope with flooding damage. This project uses Populus tomentosa, an important tree species peculiar to China, as material to analyze the role of Group VII ethylene response factors ( ERF VIIs) in the response of P. tomentosa to flooding, to further understand the molecular mechanism of woody plants in response to flooding and to support the breeding of new forest tree cultivar. We have cloned the whole 5 gene members of P. tomentosa ERF VIIs in which PtoRAP2.2 was significantly responsive to flooding. Taking advantage of gene over-expressing and gene knocking-out operation, this project aims to analyze the function of PtoRAP2.2 in response to flooding and its influence on the flooding tolerance of P. tomentosa. ERF VIIs proteins can be phosphorylated by MAPK protein etc., The influence of the phosphorylation on PtoRAP2.2 protein function is unknown to date. According to results of gene expression analysis, this project attempts to verify the phosphorylation of PtoRAP2.2 by MAPK3 and SnRK3.22 proteins and to study the influence of the phosphorylation modification on PtoRAP2.2 protein in response to flooding and on the flooding tolerance of P. tomentosa.

水淹严重影响陆生植物生长，培育具有水淹耐受性的植物品种是应对水淹危害的重要策略之一。本项目以重要乡土树种毛白杨为研究材料，分析VII组乙烯响应因子(ERF VIIs)在其响应水淹胁迫中的作用，以进一步认识木本植物响应水淹胁迫的分子机制，为林木新品种培育奠定基础。前期研究已克隆毛白杨ERF VIIs 全部5个基因成员，其中只有 PtoRAP2.2基因强烈响应于水淹胁迫。本项目拟通过基因过表达和基因敲除分析PtoRAP2.2基因在水淹胁迫响应中的作用，并衡量其对于毛白杨水淹耐受性的影响。ERF VIIs蛋白会被MAPK等蛋白磷酸化，其对ERF VIIs蛋白功能的影响尚未可知。根据基因表达分析结果，本项目将验证MAPK3和SnRK3.22对PtoRAP2.2蛋白的磷酸化修饰，并分析磷酸化修饰对其调控水淹胁迫响应的影响以及对毛白杨水淹耐受性的影响。

涝害是全球主要自然灾害之一，水淹会严重影响陆生植物生长，培育具有水淹耐受性的植物品种是减少水淹对农林业造成危害的重要策略之一。已有研究表明在水淹胁迫中植物主要受到缺氧带来的伤害，VII组乙烯响应因子(ERF VIIs)是植物细胞感知氧气浓度的重要转录因子。本项目以毛白杨为研究材料，借助于多种分子生物学手段分析了ERF VIIs的成员RAP2.2在毛白杨响应水淹胁迫中的作用。由于ERF VIIs蛋白可能会发生磷酸化，本项目还分析了磷酸化修饰对其调控水淹胁迫响应能力的影响。研究结果表明：（1）通过基因过表达和敲除，发现RAP2.2正向调控杨树对于水淹胁迫的响应，即基因敲除后杨树的水淹耐受性显著下降；（2）在水淹胁迫下，RAP2.2蛋白稳定性增强，同时蛋白的磷酸化程度变高；（3）通过蛋白磷酸化位点预测和LC-MS分析，发现RAP2.2蛋白的磷酸化位点为第145-149个氨基酸中丝氨酸；（4）MAPK3蛋白能够与RAP2.2蛋白互作并对其进行磷酸化；（4）被磷酸化后的RAP2.2蛋白结合特定核酸片段（GCC box）的能力显著增强，同时激活下游水淹胁迫相关基因表达的能力也得到增强；（5）正向响应水淹胁迫而且能够磷酸化RAP2.2的MAPK3的基因过表达能够增强杨树的水淹耐受性。本项目的研究工作有助于认识植物响应水淹胁迫的分子机制，为培育具有更强水淹耐受性的农林作物新品种奠定了一定的基础。