小黑杨转录因子PsnERF75应答盐胁迫分子机制研究

Populus simonii × P. nigra is an important tree species in the northern part of China. However, the growth and development of poplar have been challenged by the shortage of water resources and by soil salinity. ERF is a plant-specific transcription factor gene family, which plays significant roles in regulating plant growth, development and abiotic stress responses. PsnERF75, a gene from Populus simonii × P. nigra, belongs to the gene family. The expression of PsnERF75 is inducible by abiotic stresses. On the basis of our screening for salt stress-responsive genes，we propose to clone the salt-inducible PsnERF75 gene from Populus simonii × P. nigra, and to create respective PsnERF75 over-expression and suppressed expression vector and to cultivate transgenic poplar lines. Then, we will investigate gene expression patterns, morphological and physiological traits, and salt-stress tolerance changes between transgenic poplar and the control using molecular breeding techniques combined with RNA sequencing. In addition, the downstream target gene of PsnERF75 and its biological function will be detected. Through the different levels of studies, we expect to clarify molecular mechanisms of PsnERF75 in the process of poplar growth, development and salt stress tolerance, and provide theoretical basis and scientific guidance for the research of forest resistant molecular breeding and the comprehensive improvement and utilization of saline-alkali land.

小黑杨是三北地区重要的造林和绿化树种，但在水资源缺乏及盐碱化地区其生长发育常受到严重制约。ERF是植物所特有的一类转录因子，可直接参与植物胁迫应答及生长发育等生物过程，而小黑杨转录因子基因PsnERF75属于ERF基因家族，是一个受非生物胁迫诱导表达的基因。本研究拟在筛选杨树抗逆相关转录因子基因PsnERF75基础之上，克隆其全长cDNA序列，构建PsnERF75过量表达和反义RNA沉默抑制表达载体，培育PsnERF75基因过量表达和抑制表达杨树转基因株系。结合转录组测序利用分子育种技术手段，探明PsnERF75调控的下游靶基因及其生物功能，分析PsnERF75过量表达和抑制表达转基因杨树与对照形态特征、生理特征和抗盐能力的变化，从而系统阐明PsnERF75在杨树抗盐胁迫及生长发育过程中的作用机制及分子生物学功能，以期为林木抗性分子育种研究及盐碱地综合改良利用提供理论依据与科学指导。

杨树生长快、适应性强，是我国三北地区重要的经济和绿化树种。盐碱、干旱等非生物环境因子是影响杨树生长、发育，限制杨树用材质量、产量的主要因素。利用基因工程技术手段提高杨树抗旱耐盐能力日益成为该领域的重要育种途径。以往研究表明，利用单一功能基因进行杨树遗传转化，培育出的杨树转基因植株抗逆效果往往不理想。然而植物体内转录因子可以通过结合启动子序列中的顺式作用元件调控下游靶基因的表达，调节植物生长发育及对逆境胁迫的适应能力，进而解决杨树转基因育种中单一功能基因作用不明显的难题。ERF转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，大约占已知植物转录因子总数的8%。ERF转录因子不仅可以与DRE/CRT元件结合，还可以通过与GCC-box元件结合应答逆境胁迫。.为探明ERF转录因子在杨树生长发育和抗旱耐盐胁迫过程中的生物学功能，本项目主要进行了以下几方面的研究：一、分析盐胁迫条件下转录因子表达模式，获得逆境胁迫相关ERF转录因子7个，为揭示ERF转录因子功能提供了候选基因；二、克隆ERF16和ERF194基因，分别构建过量表达和抑制表达载体并进行杨树遗传转化，获得ERF16过量表达转基因杨树株系19个、抑制表达株系9个，ERF194过量表达转基因杨树株系14个、抑制表达株系27个，为进一步研究ERF转录因子功能提供了材料基础；三、生长生理指标分析结果显示ERF16通过促进杨树侧根的生长提高了对盐胁迫的敏感性，同时ERF16能够调控下游基因NAC45的表达，为后续深入研究ERF16作用机制提供了思路；四、干旱胁迫处理研究发现，ERF194的过量表达显著提高了转基因杨树株系的抗旱性，ERF194减小导管大小的同时，增加了导管数量及水分利用效率，为揭示ERF194转录因子的抗旱功能奠定了理论基础。以上结果的获得对于林木抗性育种研究、干旱半干旱地区国土绿化及林业生态文明建设具有非常重要的理论和实践意义。