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侧根是植物根系结构的决定因素,除了提供锚地作用外,还是一种植物探索土壤环境中水分和养分的器官。侧根发生与初生根不同,属于胚后形成,并在根内深处萌生。IAA是侧根在启动和建成过程中所必需的植物激素。ABA信号通路能够与IAA信号通路协同调控侧根发育。转录因子AtVIP1是拟南芥bZIP结构域的一员,除参与农杆菌侵染过程外,还在渗透调节、根波动、ABA反应和转录调控等过程起作用。过表达Atvip1基因可促进高粱侧根发育,但具体机制尚不清楚。因此,初步探讨AtVIP1介导IAA与ABA信号途径调控高粱侧根发育的分子机制,为全面解析转录因子VIP1促进高粱根系发育的调控机制奠定基础,对高粱的生长发育和产量提高具有重要意义。同时有望获得影响植物根系发育关键新基因,为明确植物根系发育信号通路提供理论依据。主要研究结果如下:1.为了解AtVIP1的基本生物学功能,利用生物信息学技术,对转录因子AtVIP1核酸和氨基酸序列分别进行基因结构与蛋白质结构的分析。Atvip1基因属于断裂基因,启动子区域含有植物激素和逆境胁迫等响应元件。AtVIP1蛋白拥有多个磷酸化位点,主要被定位于细胞核和线粒体基质。AtVIP1蛋白二级结构主要由无规则卷曲和α-螺旋构成。高粱和拟南芥的VIP1蛋白有较近的亲缘性,bZIP结构域高度保守。2.为研究Atvip1基因的功能,通过农杆菌介导高粱幼胚的遗传转化过程,获得14株过表达Atvip1基因高粱植株,筛选出明显促进侧根发育的AtVIP1-7株系进行后续试验。3.为研究AtVIP1对高粱幼苗生长形态和根系发生的影响,以野生型品种P898012和AtVIP1-7转基因高粱株系为试验材料,开展高粱幼苗形态及生长指标检测,侧根及侧根原基发生观察,根系活力测定和AtVIP1根系表达定位等研究。同时,结合外施1.5 mM IAA验证Atvip1基因对根系发育的影响。结果表明,过表达Atvip1基因高粱发育较快,根系生长更茂盛,侧根及其原基数量显著增加,根系活力增加。AtVIP1在高粱根系的根基部、根尖及侧根原基处均有表达。外施IAA可使高粱根系发育提前,侧根及侧根原基发生增多,野生型在施用IAA 3d后,根系生长状态与AtVIP1-7转基因高粱趋于一致。说明Atvip1基因过表达能够促进高粱幼苗的生长发育和侧根建成,AtVIP1可能调控IAA信号通路。4.为明确Atvip1基因在高粱根系发育过程中引起基因转录水平的差异,筛选出IAA和ABA途径调控根系发育的关键基因,以三叶一心时期高粱幼苗为试验材料,进行转录组测序分析。筛选到差异表达基因247个,有功能注释的差异基因235个。其中,59个差异基因注释到17个COG因素中,主要是碳水化合物的运输和代谢。GO分析表明,167个差异基因富集在18个生物学过程、12个细胞组分和12个分子功能,主要是细胞代谢过程。47个差异基因富集到29个KEGG pathway,主要集中在苯丙酸生物合成路径。5.为研究转录因子AtVIP1在转录水平对IAA与ABA信号通路关键基因的调控作用,利用LC-MS检测根系IAA与ABA激素含量,结合转录组pathway数据和qRT-PCR方法分析IAA与ABA通路调控侧根发育关键基因的表达模式。高粱根系中,Atvip1基因可以积极调节IAA和ABA生物合成的关键酶Sbyucca2和Sbnced1基因表达,并引起IAA和ABA含量显著增加。Atvip1基因正调控Sbmpk3、Sbmyb44、和Sbvp1基因的转录表达,且影响根系中Sbvip1基因的转录。IAA信号通路关键基因Sbiaa14、Sbarf7和Sblbd16基因显著上调表达;ABA信号通路关键基因Sbpyl8和负调控因子Sbpp2c5基因上调表达,正调控因子Sbsnrk2基因下调表达。外源IAA处理后,Sbvip1、Sbvp1、Sbarf7和Sbmyb44基因上调表达,变化趋势与过表达Atvip1基因高粱相似,对Sbpyl8基因表达并无影响。结合生物信息学分析发现高粱myb44与vp1基因启动子区域除具有bZIP靶向序列,还有VIP1转录因子特有的响应基序,推测AtVIP1能够调控Sbmyb44、和Sbvp1基因转录,过表达Atvip1基因可能在转录水平通过负调控ABA-SnRK2信号途径和正调控IAA信号途径促进高粱侧根的发育。综上所述,转录因子AtVIP1在转录水平调控IAA与ABA信号途径促进高粱侧根生长发育。