乙烯利调控玉米木质素生物合成及不同品种敏感性差异的分子机理

Lodging seriously restricts maize continuous high yield and efficient production. In plants, Lignin distributes in cell wall of lignification mechanical and conducting tissue. It can enhance the mechanical strength of cell wall. Lignin content significantly affects elastic strength of crop stalks and determines the capability of lodging resistance of crop cultivars. As the first enzyme of lignin biosynthesis, phenylalanine ammonia lyase (PAL) is the rate-limiting enzyme. The changes of PAL activity directly affect biosynthesis and monomer composition of lignin, lignin content and plant lodging. Ethephon increases the lodging resistance of maize stalk, improves the PAL activity. However, the regulation mechanism of ethylene on lignin biosynthesis mechanisms in different genotypes of maize and the PAL gene expression are currently unclear. In hydroponics, greenhouse and field conditions, this project studies the molecular mechanisms of ethephon on maize PAL gene induction mechanism and lignin biosynthesis process by using maize high-throughput transcriptome (RNA-SEQ) analysis. After selecting the maize genotypes, which differ in sensitivity to ethephon, we explore the PAL gene molecular mechanisms under the clone and translation levels. This project would clarify the physiological and molecular mechanisms of ethephon regulating maize lignin biosynthesis and its sensitivity difference of different maize genotypes. The results would provide theoretical support in improving lodging resistance of maize.

倒伏是制约玉米高效生产的严重问题。木质素分布在植物木质化的机械组织和输导组织的细胞壁中，能够加强细胞壁机械强度。作物茎秆木质素含量显著影响其弹性强度，是决定品种抗倒伏能力的重要指标。苯丙氨酸解氨酶（PAL）作为木质素生物合成的第一个限速酶，将直接影响到木质素的合成及其单体的组成，从而影响木质素含量和植物倒伏。乙烯利能够提高玉米茎秆的抗倒伏能力，提高PAL活性。但是，乙烯利对不同基因型玉米品种敏感性差异机理及PLA基因的调控机制尚不清楚。本项目拟在水培、温室及大田条件下，筛选对乙烯利存在敏感性差异的玉米品种，利用玉米转录组（RNA-SEQ）分析技术研究乙烯利对玉米PAL基因的诱导机理及木质素生物合成过程的分子调控机制；阐明PAL基因的克隆及翻译水平表达差异的分子机制；揭示乙烯利调控玉米木质素生物合成及不同基因型玉米对其敏感差异的分子机制。为提高玉米茎秆抗折力提供理论基础。

倒伏是制约玉米高效生产的严重问题。木质素分布在植物木质化的机械组织和输导组织的细胞壁中，能够加强细胞壁机械强度。作物茎秆木质素含量显著影响其弹性强度，是决定品种抗倒伏能力的重要指标。苯丙氨酸解氨酶（PAL）作为木质素生物合成的第一个限速酶，将直接影响到木质素的合成及其单体的组成，从而影响木质素含量和植物倒伏。乙烯利能够提高玉米茎秆的抗倒伏能力，提高PAL活性。但是，乙烯利对不同基因型玉米品种敏感性差异机理及PLA基因的调控机制尚不清楚。本项目通过温室盆栽及大田条件下，选取郑单958及双亲自交系郑58和昌7-2，先玉335及双亲自交系PH6WC和PH4CV为试验材料，设定3个乙烯利浓度，分别为 0，200 mg L-1，400 mg L-1，试验分别就乙烯利对不同基因型玉米植株农艺性状，茎秆形态及力学强度、节间木质素含量、合成木质素关键酶PAL、CAD、4CL活性及基因表达的调控展开研究，筛选出了对乙烯利存在敏感性差异的玉米品种；同时利用RNA-seq技术，揭示乙烯利对不同基因型玉米基因差异的调控。研究结果显示乙烯利处理显著提高了4个自交系玉米的茎秆抗折力，其中对第4节间的作用最显著，PH6WC为最敏感自交系；乙烯利显著提高了茎秆3~5节间的木质素含量，PH6WC最为敏感；乙烯利处理显著提高茎秆的PAL和4CL活性及其基因表达，其中第4节最显著，同时PH6WC为最敏感自交系。转录组结果发现乙烯利处理后获得了1150个差异表达基因，通过GO分析这些差异基因集中在细胞膜过程、新陈代谢过程、连接过程、有机物质合成等途径和同路上；发现乙烯利调控与木质素合成途径中最相关的2个基因为PRX52与AtMYB103。本研究揭示乙烯利调控玉米木质素生物合成及不同基因型玉米对其敏感差异的分子机制，为提高玉米茎秆抗折力提供理论基础。