拟南芥WRKY34调控成熟花粉冷敏感性的分子机制

低温冷害胁迫是影响作物产量和地理分布的重要环境因子之一，幼苗期和生殖发育期是植物对低温冷害胁迫最敏感时期。目前认为，花粉粒冷敏感性的主要原因是由于冷响应相关基因在花粉中没有积累所致。我们最近研究结果表明，拟南芥花粉特异表达的转录因子WRKY34在花粉中负调控低温冷响应基因CBF1、CBF2和CBF3的表达水平，从而导致植物花粉对低温非常敏感。然而，WRKY34蛋白是单独作为转录抑制因子，还是通过与其他蛋白互作来负调控低温冷响应基因的表达，目前尚不清楚。因此，在原有研究工作基础上，将重点分析WRKY34蛋白强烈抑制低温冷响应基因的表达而影响花粉低温冷敏感性的分子作用机制，以及WRKY34蛋白与其互作蛋白协同调控低温冷响应基因和其他可能下游基因的表达水平而调节花粉低温冷敏感性的分子作用机制，为农业生产寻找由于低温导致成熟花粉不育而影响粮食产量的防治措施提供一些理论指导。

在之前的研究中，我们发现拟南芥WRKY34作为一个负转录调控因子参与成熟花粉粒对冷的响应，而且WRKY34高表达转基因植株的花粉活力显著降低。研究表明拟南芥WRKY34基因参与了花粉活力的调控，但它是如何影响花粉活力尚不清楚。为了进一步了解拟南芥WRKY34基因在花粉活力、花粉萌发和花粉管生长过程的作用和调控机制，本研究通过酵母文库的筛选找到一个VQ蛋白VQ20能跟拟南芥WRKY34和WRKY2相互作用；拟南芥MIKC*中的AGL30、AGL66及AGL104和拟南芥WRKY34相互作用。结果显示, vq20-1植株生长正常。通过融合GFP亚细胞定位分析表明VQ20蛋白定位于细胞核；启动子连接GUS分析证明VQ20是一个花粉粒特异表达基因；遗传分析证明，与野生型相比vq20-1突变体的自交结实率无明显差异。瞬时表达实验显示，VQ20增强拟南芥WRKY 2和WRKY34的转录活性，但是w2-1vq20-1 ，w34-1vq20-1无明显的表型。Guan等发现WRKY34和WRKY2在花粉发育、花粉萌发以及花粉管生长调控中功能冗余。于是我们构建了w2-1w34-1vq20-1三突变体。与w2-1w34-1相比，三突变体的自交结实率显著地降低，角果短小。人工授粉试验显示，三突变体花粉在柱头上萌发率低且花粉管的生长受到了严重的影响，无法把精细胞送入胚囊中完成受精。花粉形态和活力实验显示，与w2-1w34-1相比，三突变体的花粉完整性更差，花粉活力更低，而且还有一部分花粉不能完全释放。研究发现拟南芥MIKC*基因能够抑制拟南芥WRKY34基因的转录来调控花粉发育。我们发现拟南芥WRKY34能和MIKC*中的AGL30、AGL66和AGL104相互作用。这暗示他们在蛋白水平上也存在相互影响。总而言之，拟南芥WRKY34蛋白可能通过与拟南芥VQ20和AGL30、AGL66、AGL104等其它调控因子互作调控下游基因的表达，从而调控花粉活力、花粉萌发和花粉管生长。. 在研究过程中，我们研究工作还证实茉莉酸酯是植物 ICE-CBF/DREB1途径关键的上游信号分子，调控拟南芥的抗冻性。研究论文发表在国际高影响力的学术刊物Plant Cell上（Hu等，Plant Cell, 2013, 25: 2907–2924）。