玉米ZmCCT蛋白调控光周期响应和茎腐病抗性的分子机制比较研究

Both photoperiod response and stalk rot resistance are important factors that affect maize yield. ZmCCT protein has been reported in regulation of photoperiod response in leaf tissues, as well as stalk rot resistance in roots. Although these two biological processes happen independently, the pleiotropy of ZmCCT protein still limits its application in maize breeding. At present, the underlying mechanism of ZmCCT protein remains unknown, the identification of trait specific target genes or co-factors will be helpful for designated trait improvement. In this study, regulated genes, DNA binding elements and interacting proteins of ZmCCT protein will be identified both in leaf tissues and roots, selecting tissue-specific direct target genes or co-factors basing on ZmCCT inducible transgenic lines. Then, the biological function of target genes，the formation of protein complex and its regulation to target genes will be further verified. Finally, the regulation divergence involved in ZmCCT-mediated photoperiod response and stalk rot resistance will be compared and specific genes will be selected for vector construction and transformation later. The specific target genes or co-factors found in this study will provide theoretical guidance in elite variety selection with applicable flowering time and high stalk rot resistance in breeding.

玉米的光周期响应和茎腐病抗性是影响高产稳产的两个重要因素。前期研究表明，ZmCCT蛋白不仅在叶部响应光周期调控生育期，而且在根部应答病原菌增强对茎腐病的抗性。虽然这两个生物学过程彼此独立发生，但ZmCCT蛋白的多效性仍制约了它在生产上的应用。目前，ZmCCT蛋白调控的分子机制尚不清楚，鉴定其性状特异的靶基因或互作因子将有助于实现性状的定向改良。本研究拟在已构建的ZmCCT诱导表达转基因植株基础上，在叶片和根中分别鉴定ZmCCT调控的基因、结合的DNA基序和互作蛋白，筛选组织特异的靶基因和互作因子。随后，对靶基因的生物学功能、ZmCCT蛋白复合物的形成及其对靶基因的调控等加以验证。最后，比较ZmCCT蛋白对光周期的响应和茎腐病抗性的调控机制的差异，挑选特异的基因构建载体用于后续转基因功能验证。本研究鉴定的特异靶基因或互作因子将为生产上选育生育期适宜且高抗茎腐病的品种提供丰富的理论指导。

玉米的光周期响应和茎腐病抗性是影响高产稳产的两个重要因素。前期研究表明，ZmCCT蛋白不仅在叶部响应光周期调控生育期，而且在根部应答病原菌增强对茎腐病的抗性。虽然这两个生物学过程彼此独立发生，但ZmCCT蛋白的多效性仍制约了它在生产上的应用。本研究首先通过ZmCCT-GR诱导表达家系，共计鉴定了325个ZmCCT可能直接调控的靶基因；其次，通过原核表达纯化结合pull down实验，鉴定了叶片中的互作蛋白43个，主要参与蛋白折叠与复性、光周期响应；鉴定根中的互作蛋白52个，主要参与蛋白结合、离子跨膜转运和甲基转移酶活性相关通路；建立了Cell-free/DAP-seq体系，并鉴定了叶片和根中可能调控的不同DNA基序，其中在叶片中，ZmCCT最有可能结合的DNA基序是“CCGCCG”和“ATGGCGG”，直接调控的靶基因有243个，而在根中，ZmCCT最有可能结合的DNA基序是“GTGTAAAATG”、“AAAACAGCG”和“CAAATGG”，直接调控的靶基因有102个；综合互作蛋白与DNA基序分析证实ZmCCT在叶片与根中存在不同的作用机制，推测ZmCCT可能以辅助因子的形式参与转录调控过程。最后，结合酵母双杂交系统验证ZmCCT蛋白的转录激活功能，发现其2个转录激活区区。已无转录激活功能的多肽为诱饵，在感光期玉米叶片中筛选了255个互作蛋白，目前通过CoIP和Splic-LUC方法已验证8个互作蛋白，这些蛋白的功能仍在继续深入研究中。本项目通过鉴定ZmCCT蛋白的调控序列、靶基因和互作蛋白来深入阐明ZmCCT调控的分子机制，这将为生产上选育生育期适宜且高抗茎腐病的品种提供丰富的理论指导。