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根系是植物固着自身、吸收水分与养分、与根际微生物群落互利共生的重要组织。MADS-box转录因子是植物生长发育各个过程的重要调节因子,但是其对根系发育的具体调控机制报道得比较少,尤其在观赏植物菊花中。氮素作为必需的大量元素对植物根系发育产生重要影响。植物可以从土壤中吸收多种形式的氮素,但是在通气良好的土壤中,硝酸盐（NO3-）是高等植物的主要氮素吸收形式。除作为必要的营养物质外,NO3-可以作为信号物质对植物根系构型产生调节作用。其中,在NO3-分布不均匀的情况下,局部高浓度NO3-明显提高侧根的发生,而这一过程主要受MADS-box转录因子基因ANR1的调控。本研究解析了菊花CmANR1基因调控菊花根系发育的分子机制,初步构建了CmANR1基因响应硝酸盐信号调控菊花根系发育的信号网络图。主要研究结果如下:1、CmANR1是一个快速响应硝酸根的MADS-box家族转录因子基因利用RACE-PCR方法获得菊花CmANR1基因的全长序列,对其进行生物信息学分析发现CmANR1可编码239个氨基酸,包含MADS-box（MEF2-like）和K-box两个保守的功能结构域,与拟南芥ANR1亲缘关系最近。组织表达分析发现,CmANR1基因在菊花的根、茎、叶、花中均有表达,但是在根中的表达量最高;CmANR1基因可以受到较高浓度硝酸盐（≥5mM KNO3）的快速诱导而表达上调,而对铵态氮（NH4+-N）无响应。利用提取的菊花叶片原生质体进行亚细胞定位观察发现,CmANR1仅定位于细胞核中。在酵母细胞中的转录活性分析表明,CmANR1具有自主激活活性。这些结果表明,CmANR1是一个MADS-box家族转录因子基因。2、CmANR1基因正调控菊花和拟南芥不定根与侧根的发育基因功能鉴定发现,CmANR1转基因菊花组培苗的不定根长度和数量都显著增加。而且CmANR1转基因水培菊花的不定根与侧根发育也受到显著的促进作用。同时,我们将菊花CmANR1基因在拟南芥中进行异源过表达,结果发现CmANR1基因能够促进拟南芥侧根的起始和伸长,而对主根发育没有影响;而且异位表达CmANR1基因可恢复拟南芥突变体anr1的侧根发育表型。对35S::CmANR1转基因和野生型（Col）拟南芥幼苗的下胚轴在MS培养基上进行不定根发生试验发现,过表达CmANR1基因能够促进拟南芥不定根的发生和伸长。进一步研究发现转基因菊花和转基因拟南芥根系中自由IAA的含量均显著的高于野生型植株。CmANR1基因促进根系发育的功能具有保守性,此过程很可能与生长素的参与有关。3、野生型与CmANR1转基因菊花根系的转录组测序我们对35S::CmANR1转基因和野生型菊花的根系的cDNA文库进行Illumina转录组测序。RNA-seq结果表明除了未知基因序列外,与野生型相比,在CmANR1转基因菊花有5698个基因表达受到上调,1914个基因受到表达下调。对这些差异表达基因进行GO功能注释和KEGG生物信号通路预测发现,“转录因子活性,特异序列DNA结合活性”以及“激素介导的信号通路”符合CmANR1作为一个转录因子通过激素（生长素）信号途径而调节菊花根系发育的预期。另外,我们从差异表达基因中挑选了18个代表性成员进行定量PCR（qRT-PCR）验证,结果发现,虽然具体的表达倍数存在差异,但是定量结果与RNA-seq表达值之间存在很好的相关性（R2=0.882）。4、CmANR1可直接转录激活CmPIN2基因的表达为了进一步研究CmANR1对下游靶基因的调控作用,我们采用染色体步移法获得了四个生长素相关基因的启动子,即pCmPIN2、pCmGH3.1、pCmTAA1以及pCmAB37G。PLACE网站对启动子序列分析发现这四个基因启动子序列中各包含一个MADS-box特异识别的CArG-box顺式作用元件。ChIP-qPCR和EMSA同时证明CmANR1仅直接结合CmPIN2启动子的CArG-box顺式作用元件。烟草荧光成像试验进一步证明CmANR1能够转录激活CmPIN2基因的表达。5、CmANR1与CmAGL21及自身蛋白相互作用对免疫共沉淀的蛋白条带进行LC-MS/MS质谱鉴定发现许多可能与CmANR1发生互作的候选蛋白。酵母双杂交和GST Pull-down试验确定了CmANR1可以与另一个MADS-box转录因子CmAGL21互作,它们之间很可能形成异源二聚体。此外,酵母双杂的结果显示,CmANR1可能通过与自身互作而形成同源二聚体。总之,在本研究背景下菊花转录因子CmANR1能够通过直接上调生长素极性运输基因CmPIN2表达,增加生长素从地上部向根系中运输,导致根系中自由IAA含量增加,从而促进菊花不定根和侧根的发生。