973标书-植物重要器官形成的遗传和表观遗传调控机理研究

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1、项目名称：植物重要器官形成的遗传和表观遗传调控机理研究首席科学家：曹晓风中国科学院遗传与发育生物学研究所起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部中国科学院31一、研究内容作为植物发育生物学中的最重要领域，植物器官形成的研究已成为植物科学中的重要前沿和新的增长点。本项目瞄准这一科学前沿，以保证我国粮食安全的重大需求为导向，采用分子遗传学、表观遗传学、细胞生物学、生物化学和系统生物学等多学科综合研究手段，解析高等植物重要器官形成和大小决定的遗传与表观遗传调控机制和网络，重点阐明器官形成过程中形态建成关键因子的作用机理

2、和信号网络。针对要解决的科学问题，我们将从植物器官特征决定的遗传和表观遗传调控网络、植物重要器官形态建成的调控机制和模型以及重要植物器官大小控制的分子基础三个方面系统研究器官形态建成的分子机制，为实现对植物生长发育调控的遗传改良提供理论依据。其中，这三个课题之间具有内在的联系，花器官决定是花器官发育的前提，而两者均对器官和种子的大小有一定的影响。1、植物器官特征决定的遗传和表观遗传调控网络植物器官特征决定受一些关键基因控制，这些基因受到转录、转录后和翻译后等多种水平精细调节。花器官决定是植物从营养生长向生殖发育转变的重要发育

3、过程，并产生花器官。长期以来调控植物开花的分子机制一直是植物发育生物学研究的热点。植物开花时间不仅影响作物的穗数和粒数，还影响生长周期和环境适应性等，是决定作物产量和品质的重要因素之一。赤霉素和自主途径因子是植物自身发育进程调控开花的关键因素，但是对赤霉素如何启动植物开花的了解却非常有限，而表观遗传调控因子在哪些通路、通过哪些靶位点调控开花关键基因还不清楚。赤霉素和自主途径因子如何接受环境信号通过植物自身发育进程来协调开花调控的目前还知之甚少。本项目31将从花器官决定入手，综合利用遗传学、细胞生物学、生物化学、蛋白组学以及表

4、观遗传学等手段，通过鉴定参与赤霉素和自主途径的遗传和表观遗传调控因子、解析这些遗传因子之间在各自的途径和与其它途径间相互作用的分子机制、研究表观遗传调控因子通过哪些靶位点调控各种遗传因子，解析各种激素和环境因素如何参与调控植物器官特征决定的遗传和表观遗传调控网络。我们将开展以下三个方面的研究：1)赤霉素调控植物开花的分子机制研究。揭示短日照条件下早花突变体的作用机理，初步建立赤霉素促进开花的遗传途径。赤霉素在植物开花调控中起着重要的作用，拟南芥赤霉素生物合成途径缺失突变体ga1，在短日照条件下不能开花，在拟南芥ga1-3突变

5、体的背景下，敲除赤霉素信号传导重要元件DELLA蛋白，如：ga1-3gai-t6rga-t2三缺失突变体在短日照条件下可以正常开花，表明赤霉素可以通过依赖于DELLA蛋白的GA信号传导途径参与拟南芥短日照开花的调控。化学抑制剂Paclobutrazol（PAC）处理植物能够阻遏赤霉素合成。spy是在含PAC培养基上筛选出的拟南芥突变体。rgaspygal-3三突变体表型分析表明SPY能够增强DELLA蛋白的作用。spy编码的SPINDY蛋白与动物的O连的N-乙酰葡萄糖胺转移酶（O-GlcNAc）高度同源，同野生型相比，敲除S

6、PINDY，植物开花的关键调控因子，如：CO，SOC1和FT等基因转录水平都提高。表明赤霉素还可以通过依赖于SPINDY蛋白途径参与拟南芥短日照开花的调控。赤霉素是通过哪些重要因子和途径启动植物开花的？赤霉素与自主通路因子是如何接受环境信号，并通过植物自身发育进程来协调开花调控的？SPINDY是否是整合赤霉素和光信号（光周期和节律）网路调控植物由营养生长到生殖发育转化的关键节点也31有待进一步深入探讨。本项目将重点鉴定SPINDY参与的开花调控的遗传途径中的新成员，并通过这些新成员的互作蛋白研究它们对植物花器官决定的作用机制

7、以及赤霉素与植物环境信号互作调控花器官分化的机理。具体内容包括：(1)利用pSPY:SPY-GFP的拟南芥转基因材料，通过EMS化学诱变和遗传筛选，获得Paclobutrazol抗性并抑制ga1-t表型的早花pef突变体和抑制spy3表型的晚花ros突变体。比较ga1-tros，ga1-t和ga1-tpef突变体间开花时间及开花相关基因的表达差异，进而推测ROS和PEF在调控开花机制中的可能功能。(2)ROS和PEF基因克隆，分析基因表达模式和抗体制备。分析ROS和PEF对SPINDY或者DELLA蛋白功能的影响。(3)通过

8、酵母杂交和免疫共沉淀分析可能与DELLA蛋白质相互作用的蛋白DIP（或基因），深入探讨DIF在植物开花调控中的功能，重点分析这些新成分在控制植物开花中的功能，揭示赤霉素调控植物开花的分子机制。2)蛋白质复合体对开花关键基因表达调控的分子机制研究。鉴定蛋白质复合体组分，重点阐述蛋白质复合体对