OsRMC基因调控水稻根生长发育的机理研究

实验室前期工作证明OsRAA1在玉米泛素启动子驱动下组成型表达，可以抑制水稻初生根的生长，促进不定根的形成，形成不同程度螺旋状的初生根，根的向地性反应减缓，这些表型和野生型水稻用生长素处理的表型类似，而且OsRAA1基因的转录受生长素诱导，这些结果表明OsRAA1可能参与了生长素的信号转导途径。但这些表型产生的机理还不是很清楚。在水稻中，茉莉酸在根发育过程中的作用多为生理实验的报道;拟南芥中的研究表明生长素信号转导和茉莉酸信号转导可能都受26S蛋白酶体的调控。由此我们推测茉莉酸在根的发育过程中可能也起着同样的促进作用。本论文在超表达OsRAA1水稻基础上旨在克隆新基因，并对新基因功能进行研究，以探讨茉莉酸在水稻根发育过程中的分子机理，并对生长素和茉莉酸信号转导的关系进行探讨。 　　首先运用双向电泳技术结合质谱分析技术，在超表达OsRAA1水稻背景下发现了受体激酶家族DUF26的一个成员明显下调，我们命名为OsRMC（Oryza sativa Root Meander and Curling，AAL87185），Western杂交进一步证明了这个结果。 　　OsRMC位于4号染色体，信息学分析表明只有一个拷贝，没有内含子，ORF阅读框为777bp，编码的蛋白分子量为27.9 kDa，等电点（pI）为5.01。对该蛋白进行同源性比较发现，其含有2个C-X8-C-X2-C基序（Cys-rich repeat, CRR）即半胱氨酸富集区，其中第四个半胱氨酸残基不保守，该基序会形成二硫键，编码两个未知功能的DUF26（Domain Unknown Function 26）结构域。OsRMC由一个信号肽和两个CRR区组成，但没有跨膜区和激酶区。RT-PCR显示OsRMC可能是组成型表达的基因;亚细胞实验表明OsRMC是膜定位的蛋白。Western blot显示OsRMC受茉莉酸诱导表达，受生长素的抑制。 　　RNAiOsRMC转基因水稻在暗处培养时，抑制了初生根的生长，使侧根数目减少，但促进了不定根的生长和数目的增加;第二叶鞘变短，这些表型和前人报道的外源茉莉酸处理野生型的表型一致。转基因对生长素信号转导和合成没有影响，但初生根和第二叶鞘对外源茉莉酸更加敏感，说明RNAiOsRMC转基因水稻可能增强了茉莉酸信号转导途径。分析转基因水稻的茉莉酸信号转导途径部分相关基因的表达变化，根中受茉莉酸信号转导特异诱导的病原相关基因RSOsPR10的表达明显增多，而JAmyb和OsNDPK1的表达没有变化，证实转基因增强了茉莉酸信号转导其中的一个路径;进一步分析茉莉酸合成途径12-OXO-PDA（12-氧代-顺，顺-10，15-植物二烯酸）还原酶基因OsOPR的表达发现与野生型没有明显差别，说明转基因可能没有影响体内的茉莉酸合成途径。RNAiOsRMC转基因水稻的初生根比野生型的更容易发生弯曲，实验表明培养过程中茉莉酸和背触反应（negative thigmotropism）共同作用使转基因的初生根更容易发生卷曲，而光信号会增强卷曲程度。但RNAiOsRMC转基因水稻并没有影响根的向地性，暗示RNAiOsRMC转基因可能增强了根的回旋运动或（和）背触反应，从而促进了根的弯曲和卷曲。这些结果证明OsRMC参与的茉莉酸信号转导过程在水稻根的发育、弯曲和卷曲过程中起着重要的促进作用。通过对超表达OsRAA1和RNAiOsRMC转基因水稻的分析，说明水稻中存在着生长素信号转导促进茉莉酸信号转导的途径。 　　综合以上实验结果认为，OsRAA1调控了受体激酶家族DUF26的一个成员OsRMC，使其表达量降低，该过程增强了茉莉酸信号转导途径;确认了受体激酶家族DUF26的基因具有重要的生物学功能，证实了OsRMC调控的茉莉酸信号转导在水稻根系发育、根弯曲和卷曲过程中具有重要的促进作用;证明水稻中存在着生长素信号转导促进茉莉酸信号转导的途径，为完善各种植物激素调控水稻根系发育的网络提供了新的实验证据。 　　 　　

Regulation of the rice gene OsRMC under salt stress: identification and functional characterization of novel transcription factors

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

显花植物器官形成激素调控的分子机理研究

本论文以显花植物水稻和拟南芥为对象，研究植物器官形成激素调控的分子机理。发现拟南芥干细胞决定基因WUS和ABA信号关键调节因子ABI3间存在相互调节关系，它们对质体和根毛发育等具有调控作用；运用细胞学手段对OsAGAP和OsRMC调控根发育的机理进行了研究。这些结果为了解ABA、生长素和JA等激素对分生组织或根等器官的形成的调控机理提供了新资料。 拟南芥WUS基因是一个重要的干细胞决定基因。在茎尖分生组织和花分生组织的动态平衡调节中各存在一个反馈调节环：WUS促进CLV3的表达，而CLV3 反馈抑制WUS表达，它们共同决定干细胞的数目；在WUS+LFY 和AG之间也存在一个类似的反馈环，负责花器官的正常启动和终止。本工作发现在外源ABA 存在下，拟南芥WUS功能获得突变体sef (stem ectopic flowers)子叶黄化过程受到抑制，即sef突变体对ABA 的敏感性降低，而且在sef突变体中ABI3转录水平下调，说明WUS 抑制ABI3的表达。另一方面，在abi3突变体中WUS转录水平下降，启动子分析发现WUS是ABI3所在的B3结构域家族基因的靶基因，酵母单杂交实验表明B3家族蛋白FUS3可以与WUS调控区结合；外源ABA 处理pWUS::GUS植株发现ABA可使WUS异位表达，暗示受ABA信号诱导的B3类转录因子可与WUS调控区结合，从而促进WUS的表达。这些结果支持ABI3/WUS间的反馈调节机理，该调节环可能参与调控拟南芥质体和根毛发育等过程。 双子叶和单子叶植物的发育和器官形成高度依赖生长素极性运输（PAT）， 生长素输入和输出载体的准确定位对于极性运输的正常进行是必要的。在双子叶模式植物拟南芥中，生长素输出载体PIN1的转运和定位受小G蛋白ARF鸟苷酸转换因子GNOM介导。本实验室克隆到一个水稻ARF GAPase激活蛋白OsAGAP， 其超表达引起PAT改变且干扰主根和侧根的发生及发育。前期生理实验显示超表达植株侧根的表型可被膜渗透性生长素NAA恢复，但不能被载体依赖型生长素IAA和2, 4-D恢复。为了解释OsAGAP过表达引起根系发育受到抑制的表型，本工作主要从细胞学角度继续深入分析OsAGAP介导生长素运输的机理。实验发现，OsAGAP超表达植株中AUX1在细胞中分布改变；生长素输出载体PIN1和PIN2的定位不受影响；该基因的超表达使囊泡聚集，形成类似囊泡运输抑制剂BFA处理后的结构；OsAGAP与细胞转运系统中的高尔基体存在部分共定位。以上结果表明OsAGAP调节小G蛋白Arf的活性，参与调控生长素极性运输过程，进而调控根系发育。通过对JA诱导的OsRMC蛋白的膜定位分析及转基因植株根中JA合成水平的测定，为研究此蛋白参与JA信号、调控根系发育提供了直接证据。 此外，论文还对拟南芥STAR2基因的功能进行了一定的初探。