芽再生是构建遗传转化系统、进行基因功能研究和转基因育种的基础。然而,很多植物的芽再生比较困难,即使在同一物种内不同基因型之间普遍存在芽再生能力的明显差异,但人们对造成这种差异的关键基因及其调控机理目前所知甚少。本课题以生态型资源丰富的拟南芥为研究材料,通过比较分析它们的芽再生能力,进而利用图位克隆策略并结合遗传学、分子生物学和生物化学等技术手段,鉴定调控不同生态型拟南芥芽再生能力差异的关键基因,初步揭示其分子机理。研究结果也将为克服其它植物芽再生的顽拗性、提高繁殖系数和遗传转化效率提供理论参考。本研究通过对48种生态型芽再生能力的分析发现,不同生态型拟南芥的再生能力差异明显。在芽诱导培养基(SIM)上培养32天时,Col-0、Ws-0、Pu2-7、Lan-0和Bu-0等生态型的再生频率已达100%,而Nc-1、Wa-1、Gu-0和Kelsterbach-4生态型的再生频率仍然很低。这些结果表明不同生态型拟南芥再生频率具有广泛的多样性。在此基础上,我们选取再生能力差异极显著的Col-0和Gu-0生态型,通过图位克隆鉴定出不同生态型拟南芥芽再生调控关键候选基因DCC1。通过多态性和连锁不平衡分析发现,DCC1基因的6个SNPs多态性位点与不同生态型拟南芥的芽再生能力差异紧密关联。在芽再生过程中,DCC1主要在外植体及愈伤组织的内部组织中表达。与野生型相比,Col-0背景的dcc1突变体再生受到严重抑制,再生频率与再生芽数显著降低。当将Col-0生态型中DCC1基因转入突变体dcc1,可以恢复其表型,而Gu-0生态型的DCC1基因却无法互补dcc1突变体表型,说明Gu-0生态型中DCC1基因的自然变异导致芽再生能力降低。DCC1编码一个硫氧还蛋白,定位于线粒体与叶绿体中。我们推测DCC1可能参与调控活性氧的水平。在芽再生过程中,利用DAB染色,发现DCC1功能缺失导致活性氧水平升高、芽再生能力降低;而在芽再生过程中外施H2O2,会严重抑制芽的再生,并且随H2O2浓度的升高,芽的再生能力逐渐降低。这些结果暗示DCC1可能通过介导活性氧的水平调控芽的再生。为进一步解析DCC1在维持活性氧水平动态平衡中的作用机理,我们开展了酵母双杂交、Pull-down和BiFC等实验。结果表明DCC1与CA2蛋白互作。CA2编码一个碳醛酸酶,参与线粒体呼吸链复合体Ⅰ的组装,而线粒体呼吸链复合体Ⅰ活性会影响活性氧的水平。与DCC1类似,CA2突变也会导致活性氧水平的升高与芽的再生能力降低。同时,与野生型相比,dcc1、ca2和dcclca2和双突变体中线粒体呼吸链复合体Ⅰ活性发生显著性降低。结果表明DCC1通过与CA2互作调控呼吸链复合体Ⅰ活性,进而影响活性氧的水平,参与芽再生的调控。在芽再生过程中,外施不同浓度的还原型谷胱甘肽(GSH)可以提高dcc1与ca2突变体芽再生能力;当GSH达到一定浓度时,可完全恢复单突变体dcc1、ca2以及双突变体dcc1ca2表型,这些结果表明通过降低活性氧水平,可有效促进芽的再生。在此基础上,我们对不同生态型拟南芥芽再生过程中的活性氧水平进行了检测,发现活性氧水平与芽再生能力具有一定的相关性,通常表现为芽再生能力高的生态型含有较低水平的活性氧,说明活性氧水平是造成不同生态型拟南芥芽再生能力差异的重要原因之一。我们的研究揭示出硫氧还蛋白基因DCC1的多态性与拟南芥芽再生能力的生态型差异具有密切关系。DCC1通过调节活性氧的水平进而调控芽的再生能力。研究结果为理解芽再生能力基因型差异的分子机理提供了新的视角和手段,同时也对克服粮食作物和园艺植物的再生障碍、提高遗传转化效率具有一定的理论指导意义。