BBR/BPC转录因子BPC2在调控植株生长过程中的作用

株高是重要的农艺性状，对作物产量有显著影响。以矮秆或半矮秆作物为基础的“绿色革命”证实了作物株高的重要性。控制株高的主要途径是阻断植物激素赤霉素(giberellin，GA)的生物效应。最近的研究证实，其他植物激素也在调节植物结构的发育中发挥重要作用，作为调控植物生长发育的经典植物激素，生长素在刺激细胞迅速扩增以及长期持续生长中具有重要作用。然而，生长素调控植物结构的机制尚不清楚。我们在苹果中发现了BARLEYBRECOMBINANT/BASIC PENTACYSTEINE(BBR/BPC)家族中的一个转录因子MdBPC2，该转录因子在矮化砧木中高表达，为此，本论文基于RNA-Seq和DAP-seq分析鉴定并验证了在苹果中MdBPC2调控生长素生物合成基因的表达，证明其在致矮中的机理和功能，探索了其与植物生长过程中生长素合成的关系，解析了其参与苹果致矮的分子调控机制，主要研究结果如下： 1.MdBPC2作为转录抑制因子负向调控生长素的积累。利用生物信息学方法从苹果基因组鉴定了6个MdBPC。Ⅰ类BPC转录因子MdBPC2在苹果矮化砧木中高表达。酵母中转录自激活活性与转录功能分析证实其是一个转录抑制因子。为进一步探明其功能，获得了MdBPC2转基因苹果株系，MdBPC2的过表达显著降低生长素的积累。外源生长素的补充恢复了MdBPC2过表达转基因苹果植株的高度、叶片形态和根系发育。而生长素作用抑制剂的处理抑制了野生型植物生长素的积累，导致与MdBPC2过表达转基因苹果植株的表型类似。这些结果表明，具有转录抑制功能的MdBPC2在介导生长素积累过程中发挥重要作用。 2.MdBPC2抑制生长素生物合成基因MdYUC2和MdYUC6的表达。RNA-seq数据分析表明，MdBPC2抑制几个生长素合成基因MdYUC2，MdYUC6和MdGH3.1的表达。DAP-Seq数据与电泳迁移实验(EMSA)结果显示，MdBPC2通过与GAGA-Rich元件结合调控靶基因的表达。酵母单杂交(Y1H)与染色质免疫共沉淀(CHIP-qPCR)实验证实MdBPC2直接结合MdYUC2和MdYUC6启动子中的GAGA-Rich元件，同时，双荧光素酶分析和RT-qPCR证实MdBPC2转录抑制MdYUC2和MdYUC6的表达。上述结果表明，MdBPC2通过负向调控MdYUC2和MdYUC6的表达水平，抑制生长素的积累。 3.MdBPC2蛋白将PcG蛋白MdLHP1募集到MdYUC2和MdYUC6基因座上，随后催化抑制性组蛋白标记H3K27me3来抑制MdYUC2和MdYUC6的表达。CHIP-qPCR结果显示，MdBPC2过表达后，MdYUC2和MdYUC6基因座的H3K27me3修饰水平显著增加。利用酵母双杂交筛库实验发现MdBPC2与PcG蛋白MdLHP1可能存在相互作用。在野生型和转基因植株中表达MdLHP1-Flag融合蛋白时，过表达MdBPC2的植物中MdYUC2和MdYUC6位点MdLHP1-Flag的富集水平明显增加，而在过表达转基因株系中沉默MdLHP1的表达后MdYUC2和MdYUC6基因座的H3K27me3水平明显下降。上述结果表明，MdLHP1在MdYUC2和MdYUC6基因座上富集后，催化H3K27me3来抑制MdYUC2和MdYUC6的表达。 4.MdLHP1介导的H3K27me3对MdYUC2和MdYUC6的抑制直接影响生长素含量。为了进一步探究MdBPC2与MdLHP1的互作关系对生长素含量的直接影响，获得了过表达MdBPC2的转基因苹果愈伤组织，RT-qPCR分析显示，MdBPC2的过表达抑制了MdYUC2和MdYUC6的转录，这与转基因植株结果相一致。在过表达MdBPC2的基础上，沉默MdLHP1基因后，利用DR5：GUS报告基因检测转基因愈伤组织的生长素含量，结果显示，MdBPC2的过表达抑制生长素的积累，导致GUS活性降低，相反，在沉默MdLHP1基因后这种抑制作用被消除，甚至GUS活性高于野生型。这些结果表明，MdLHP1参与了生长发育过程中MdBPC2对生长素生物合成的调控。