乙烯信号通路主要组分EIN3在苔藓水分胁迫应答反应中的作用机制解析

Drought or water stress affects crop yields seriously. Ethylene is an important plant hormone that has critical roles in plant growth and stress responses. Until now, the role and mechanisms of ethylene in plant water stress response remain elusive. Using the model moss Physcomitrella patens, which has great adaptability to water stress, as an experimental material, we showed that increasing ethylene level led to enhanced tolerance of P. patens to water stress, whereas decreasing ethylene level or blocking ethylene signaling decreased the moss tolerance to water stress, suggesting that ethylene biosynthesis and signaling positively regulate plant water stress tolerance. We also found that the master component PpEIN3 in ethylene signaling played important role in this process. The objectives of the present work are to ① dissect the function mechanism of PpEIN3 in water stress response of P. patens, ②discover the regulatory network of PpEIN3 in water stress response and screen important candidate target genes underlying, based on the high throughput transcriptome database and ChIP-Sep results, ③ analyze the biological function of the candidate genes, ④ elucidate the mechanism and working model of ethylene signaling in water stress response, according to the obtained data. We anticipate that this research would increase our understanding of ethylene signal in stress response and could provide genetic resource and theoretical basis for breeding varieties with better drought resistance.

干旱或水分胁迫严重影响作物产量。乙烯是一种重要的植物激素，在植物生长发育和多种胁迫反应中起关键性作用。但目前乙烯在植物水分胁迫反应中的作用及具体机理还不清楚。我们以对水分胁迫有很强适应力的模式苔藓-小立碗藓为材料，发现增加乙烯量使小立碗藓更耐水分胁迫，而降低乙烯量或抑制乙烯信号则使其对水分胁迫更敏感，说明乙烯的合成和信号有助于小立碗藓抵抗水分胁迫。前期数据还发现，乙烯信号通路的主要组分PpEIN3转录因子在小立碗藓水分胁迫反应中发挥重要作用。本项目中，我们拟将①解析PpEIN3在小立碗藓水分胁迫应答中的作用机制；②通过高通量转录组和ChIP-Seq数据，从基因表达层面探讨PpEIN3在水分胁迫应答中的调控网络，筛选重要调控靶基因；③对候选靶基因做深入的生物学功能研究；④结合多种数据，阐明乙烯信号在水分胁迫中的作用机制和工作模型。该研究结果将为抗旱育种提供重要基因资源和理论依据。

水分胁迫是影响农作物产量的主要因素之一。苔藓是陆地先锋植物，具有较强的水分胁迫适应能力。本项目以模式苔藓小立碗藓为材料，对植物胁迫应答信号分子乙烯信号途径的主要组分EIN3在苔藓水分胁迫中的作用及机理进行了研究。我们先以甘露醇模拟水分渗透胁迫处理野生型小立碗藓，发现小立碗藓中2个EIN3类似基因PpEIN3a和PpEIN3b的表达量都降低，这2个基因的启动子分别融合β-葡萄糖苷酸酶基因（GUS）的小立碗藓转基因植株的染色结果也在甘露醇处理后呈下降趋势。通过基因编辑和小立碗藓遗传转化等方法成功获得PpEIN3a和PpEIN3b的小立碗藓敲除突变体和过表达转基因材料，对它们的表型分析发现敲除突变体（茎叶体材料）的生长状况略差于野生型，过表达转基因植株呈现出枝茎稀疏和植株矮小等表型（特别是PpEIN3a过表达材料）。分析了一个PpEIN3敲除突变体和过表达材料中另外一个PpEIN3的表达量，发现PpEIN3a基因表达量的改变未影响PpEIN3b的表达水平，而PpEIN3b表达量的改变影响PpEIN3a的表达水平，说明2个基因可能存在一定的调节关系。检测了以上遗传学材料的水分胁迫反应表型，发现甘露醇处理条件下敲除突变体的生长好于野生型，而过表达材料要差于野生型。采用原生质体瞬时表达实验，发现PpEIN3a和PpEIN3b定位于细胞核中,与拟南芥EIN3的定位结果一样；通过农杆菌遗传转化实验证明PpEIN3a和PpEIN3b可以恢复拟南芥ein3突变体对乙烯不敏感的表型，并且纯合转基因拟南芥中2个基因都能替代拟南芥EIN3的作用而激活乙烯信号途径下游基因ERF1的表达。综合以上实验结果，说明2个PpEIN3基因具有与拟南芥EIN3类似的乙烯信号传递功能，它们参与小立碗藓的生长发育调控并在苔藓水分胁迫应答反应中发挥重要作用，相关数据正在整理和撰写中。以上工作对阐明植物水分胁迫应答反应机制和培育耐旱农作物新品种具有重要的科学意义。