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番茄(Solanum lycopersicum)是世界上栽培的重要蔬菜作物之一,同时也是研究花序及果实发育的重要模式植物,受到育种家们的广泛关注。高等植物中花序结构,开花数目,果实大小及品质和优良的植物株型与产量直接相关,对相关性状调控基因的解析对于理解表型变异的遗传基础,促进优良品种选育具有重要意义。番茄SINGLE-FLOWER TRUSS(SFT)基因是拟南芥开花相关基因FT的同源基因,该基因突变后直接影响花序结构及开花数目,因此研究该基因相关调控网络显得尤为重要。本实验室前期研究发现,番茄SPL13和COL1基因可以直接结合SFT基因的启动子而调控其表达,进而影响番茄植株花序的发育及产量,本课题对两个基因分别作了转基因功能分析,并进行了相关的分子遗传及生物学分析。1.高等植物的花序和侧枝都是由侧生分生组织分化形成的,花序结构对番茄果实产量有着直接的影响。前期本室已经证实miR156a通过抑制SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE(SPL)转录因子家族基因的表达,进而调控番茄花序结构和侧生组织的发育。对其下游的7个SPL靶基因进行转基因功能验证发现,在番茄中抑制SPL13基因的表达可以导致营养花序增多,花及果实的数目减少,果实变小,果实产量降低等系列表型,这些表型与过量表达miR156a表型相似,说明SPL13基因可能是miR156a下游的主效靶标基因。酵母单杂交、双分子荧光素酶、GUS表达、EMSA及ChIP-QPCR等研究结果及SFT在转基因材料中的遗传表达分析表明,SPL13蛋白通过直接与花序相关基因SFT的启动子结合而正向调控其表达,从而控制花序的发育。此外,研究还发现SPL13负调控番茄侧枝发育相关基因TEOSINTE BRANCHED1(TB1)和BARREN STALK1(BA1)的表达,在番茄中过表达TB1和BA1基因可以显著增加侧枝的数目。同时,免疫共沉淀(CoIP)试验验证了番茄侧枝发育相关蛋白Lateral suppressor(Ls)可以直接与SPL13蛋白互作,并抑制其在体内的活性,GUS表达试验进一步证明了Ls可以通过影响SPL13-TB1/BA1途径调控番茄的侧枝发育。综上所述,该研究结果为miR156a-SlSPLs调控番茄株型和产量的机制解析提供了依据。2.CONSTANS(CO)和CONSTANS-LIKE(COL)转录因子调控开花已在许多物种中被报道。本研究发现,在番茄中过量表达CONSTANS-LIKE 1(COL1)基因会降低番茄花及果实的数目、果实变小;抑制该基因表达果实变大、产量升高。酵母单杂交及GUS表达试验结果显示,与其他物种不同的是,番茄中的COL1可以不需要NFYB/NFYC的参与,通过直接结合启动子区的CCAAT顺式元件负调控SFT基因的表达,进而影响花序发育。同时,研究发现COL1正调控果实和叶片中叶绿素的含量,过量表达COL1基因会导致番茄果实和叶片叶绿素含量升高,果实在绿熟期叶绿素积累较多,为墨绿色;红熟期果实为深红色,抗坏血酸含量显著高于野生型;而抑制COL1基因的表达可以降低绿熟期果实叶绿素的含量,颜色变浅。Pull-down及免疫共沉淀(CoIP)实验结果表明,COL1可以直接与GOLDEN2-LIKE(GLK2)蛋白相互作用,促进GLK2的稳定性,从而调控番茄果实色泽形成。