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博士学位论文论文题目C2H2型锌指蛋白基因ZFP5、ZFP6和GIS3通过植物激素调控表皮细胞形成和发育分子机制研究作者姓名周忠静指导教师甘银波学科(专业)作物学所在学院农业与生物技术学院提交日期二〇一一年十二月分类号：S3单位代码：10335密级：无学号：10816021博士学位论文C2H2型锌指蛋白基因ZFP5、ZFP6和GIS3通过植物激素调控表皮细胞形成和发育分子机制研究TheMolecularMechanismsofZincFingerProteinGenesZFP5、ZFP6andGIS3ControlEpidermalCellDevelopmentbyIntegratingPlantHormoneSignalingsinArabidopsis申请人姓名：周忠静指导教师：甘银波专业名称：作物学研究方向：植物功能基因组学所在学院：农业与生物技术学院C2H2型锌指蛋白基因ZFP5、ZFP6和GIS3通过植物激素调控表皮细胞形成和发育分子机制研究论文作者签名:指导教师签名:论文评阅人：双向匿名评阅答辩委员会主席：凃巨民教授浙江大学农业与生物技术学院委员1：汪俏梅教授浙江大学农业与生物技术学院委员2：戎均康教授浙江农林大学农业与食品科学学院委员3：孙玉强教授杭州师范大学生命与环境科学学院委员4：甘银波教授浙江大学农业与生物技术学院答辩日期：2011年11月18日TheMolecularMechanismsofZincFingerProteinGenesZFP5、ZFP6andGIS3ControlEpidermalCellDevelopmentbyIntegratingPlantHormoneSignalingInArabidopsisAuthor’ssignature:ZhouZhongjingSupervisor’ssignature:GanYinboExternalReviewers:BidirectionalanonymousevaluationExaminingCommitteeChairperson:TuJumin:Professor,CollegeofAgricultureandBiotechnologyZhejiangUniversityExaminingCommitteeMembers:WangQiaomei:Professor,CollegeofAgricultureandBiotechnologyZhejiangUniversityRongJunkang:Professor,SchoolofAgricultureandFoodScienceZhejiangA&FUniversitySunYuqiang:Professor,HangzhouNormalUniversityGanYinbo:Professor,CollegeofAgricultureandBiotechnologyZhejiangUniversityDateoforaldefense：2011.11.18本研究受国家自然科学基金(NO.30970167;31000093)、浙江省自然科学基金(NO.Z31100041)、教育部高等学校博士点基金(20090101110097)和国际科技交流与合作专项(NO.2010DFA34430)的资助。TheresearchwassponsoredbythegrantsfromtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.30970167;31000093);ZhejiangProvincialNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.Z31100041);Ph.D.ProgramsFoundationofMinistryofEducationofChina(GrantNo.20090101110097)andtheInternationalScientificandTechnologicalCooperationProjectofMinistryofScienceandTechnologyofChina(GrantNo.2010DFA34430).浙江大学博士论文致谢I致谢本论文是在导师甘银波教授的悉心指导下完成的。本研究从选题、设计到论文的写作和修改，无不凝聚着导师的大量心血和智慧。特别是导师深厚的研究功底，对科学研究严谨的治学态度，对前沿科学研究方向敏锐的思维和高瞻的学术洞察力、勇攀科学高峰的精神，勤奋刻苦和勇于奉献的工作作风、宽厚和蔼的长者风范都是我学习的典范，并使我受益终生。值此学业完成之际，谨向先生表示最忠诚的感谢和崇高的敬意。感谢我们研究方向的祝水金教授、凃巨民教授、陈进红副教授、潘刚副教授和徐建红研究员在学习和研究过程中给予的建议和帮助。感谢农学系朱军教授、张国平教授、樊龙江教授、蒋立希教授、周伟军教授、邬飞波教授、石春海教授、王学德教授、胡晋教授和程方民教授等老师，在博士课程学习和研究过程中的帮助。感谢农学系平台张宪银副教授在研究过程中给予的良好建议和帮助。特别感谢我们实验室的安丽君博士后，在她的引导下，使我更深刻的理解分子生物学这一研究领域，进一步深刻领悟到科研的真谛。无论是在实验设计、设计方案的执行、研究方向的把握，甚至对于实验中很小的问题，安丽君博士都给予极大的帮助和热情的指导。在此毕业之际，对安丽君博士毫无保留教我研究的技巧，将我领入科研的大门，表示深深的感谢，更要感谢她为我树立的学习榜样，给我科研的动力和信心。感谢我们实验室的研究生孙丽丽博士、颜安博士、于春燕博士、苏莎硕士、孟小芳硕士、颜丽美硕士和张爱东硕士在学习和生活中的帮助。特别是他们对我儿子的照顾，在此表示衷心的感谢，祝他们早日完成学业。特别要感谢我的父母、婆婆、弟弟、弟妹和我的先生、儿子对我学业上的深深理解和大力支持，是他们的关心和无私奉献给了我克服困难、努力工作的动力，确保我全身心投入到科研工作当中，才能顺利完成学业。感谢所有关心和帮助过我的人们。同时向参加本论文评阅、答辩的各位专家、教授致以最诚挚的谢意。周忠静2011年12月于浙大紫金港浙江大学博士论文摘要II摘要拟南芥表皮毛和根毛发育是研究植物表皮细胞发育的模式系统，近年来关于拟南芥表皮毛和根毛发育分子遗传机理的研究已取得很大进展，已克隆到许多调控表皮毛和根毛发育过程的关键功能基因。本实验室以前的研究结果表明GLABROUSINFLORESCENCESTEMS(GIS)基因家族GIS、GLABROUSINFLORESCENCESTEMS2(GIS2)和ZINCFINGERPROTEIN8(ZFP8)通过整合赤霉素和细胞分裂素信号控制拟南芥表皮细胞形成和发育。本研究克隆和分析了3个与GIS基因具有高度同源性的锌指蛋白基因ZINCFINGERPROTEIN5(ZFP5)、ZINCFINGERPROTEIN6(ZFP6)和GLABROUSINFLORESCENCESTEMS3(GIS3)，利用遗传学和分子生物学技术对它们调控植物表皮细胞发育的分子机制进行分析。取得主要研究结果如下：1.过量表达ZFP5基因显著促进拟南芥表皮毛形成。功能缺失突变体zfp5与野生型相比在花、茎生叶、分枝和主茎花序上形成表皮毛数量显著减少；而且形成根毛数量比野生型显著减少，根毛长度比野生型显著减短。更重要的是，我们发现ZFP5通过赤霉素调控表皮毛形成，通过细胞分裂素调控根毛的生长发育。zfp5突变体根毛短的表型对外施植物激素细胞分裂素，以及营养成分钾和磷饥饿有响应。分子生物学分析显示，ZFP5作用于GIS、GIS2、ZFP8和表皮毛形成重要调控复合体GL1、GL3的上游调控表皮毛发育。利用化学诱导系统和染色体免疫共沉淀CHIP技术，进一步证实ZFP5通过直接作用于ZFP8和CPC分别调控表皮毛和根毛细胞的生长发育。2.过量表达ZFP6促进拟南芥花和主茎上表皮毛生长，功能缺失突变体zfp6与野生型相比在花和主茎分枝上形成表皮毛数量显著减少，根毛数量显著减少。分子生物学结果显示，ZFP6作用于表皮毛正向调节因子ZFP5、GIS、GIS2、GL1和GL3的上游，通过赤霉素和细胞分裂素调控表皮毛细胞形成，同时也通过细胞分裂素调控根毛细胞的生长发育。3.过量表达GIS3促进拟南芥花和其它组织上产生许多表皮毛，功能缺失突变体gis3与野生型相比在花和分枝上形成表皮毛数量减少。进一步分子生物学分析显示，GIS3作用于表皮毛正向调节因子ZFP5、GIS、GIS2、GL1和GL3的上游，通过赤霉素GA和细胞分裂素调控表皮毛生长发育。以上研究结果显示，拟南芥锌指蛋白基因ZFP5、ZFP6和GIS3是调控表皮毛和根毛细胞形成的关键功能基因。这个研究结果进一步证实和补充GIS家族基因通过整合植物激素信号控制表皮毛和根毛细胞形成的作用机制。这些结果为进一步了解和研究拟南芥浙江大学博士论文摘要III根毛和表皮毛细胞形成的作用机制提供了坚实的理论基础。同时这个研究结果对于了解植物表皮毛和根毛细胞发育，根系养分吸收，以及与植物激素、环境的互作关系，具有重要的学术意义和实际应用价值。关键词：拟南芥表皮毛根毛赤霉素细胞分裂素浙江大学博士论文AbstractIVAbstractArabidopsis(Arabidopsisthaliana)trichomeandroothairdevelopmentisanexcellentmodelsystemforstudyingcelldevelopment,celldifferentiationandcellcycle.OurpreviousstudieshaveshownthatGLABROUSINFLORESCENCESTEMS(GIS)familygenes,GIS,GLABROUSINFLORESCENCESTEMS2(GIS2)andZINCFINGERPROTEIN8(ZFP8),controlshootmaturationandepidermalcellfatebyintegratinggibberellins(GAs)andcytokininsignalinginArabidopsis.Here,weshowthatthreenewC2H2zincfingerproteins,ZINCFINGERPROTEIN5(ZFP5),ZINCFINGERPROTEIN6(ZFP6),GLABROUSINFLORESCENCESTEMS3(GIS3)playimportantrolesincontrollingroothairandtrichomecelldevelopmentthroughcytokininandGAsignalings.1.OverexpressionofZFP5resultedinsignificantlymoretrichomesoncarpelsandotherinflorescenceorgansthanwild-typeplants.zfp5loss-of-functionmutantandRNAilinesexhibitedreducednumbersoftrichomesonsepals,caulineleaves,paracladesandmaininflorescencestemsincomparisontowild-typeplants.Moreover,lossofZFP5functionresultedinshorterandfewerroothairs.Moreimportantly,ZFP5mediatedtheregulationoftrichomeinitiationbygibberellins.ZFP5geneexpressionwasregulatedbydifferentplanthormonesandnutrients.ThemolecularanalysessuggestedthatZFP5function