细胞周期蛋白依赖激酶抑制因子ZmKRP3调控玉米胚乳游离核发育机制的研究

There are special ways of cell division during the syncytial stage of maize endosperm development. The syncytial stage determines the final number of endosperm nuclei and the final seed size by regulating cell cycle. However, it is unclear that the exactly molecular mechanism how to regulate cell cycle. In this study, we have sequenced the mRNA from different stages of endosperm development. It was found that ZmKRP3 specifically expressed in the syncytial endosperm. This result was further confirmed by promoter-GUS experiment and QF-PCR experiment. Base on the above results, we would further study the activities of ZmKRP3 protein, its subcellular localization and its target proteins by recombinant technology and gene marking technology. And we will get the transgenic maize by overexpression or knockdown of ZmKRP3, to study the special biological role of ZmKRP3 in the formation of syncytial endosperm, the duration of syncytial stage, the number of syncytial nuclei, the DNA content and the ploidy level by flow cytometry and morphology analysis, and then discuss the possibility that ZmKRP3 determines the final number of endosperm nuclei and the final seed size by regulating cell cycle of the syncytial phase. ZmKRP3 will be considered as an import role of cell cycle to regulate the endosperm development. Through the present study, we will know deeply about the mechanism of maize endosperm development. This study will offer the theory, the technology and the hereditary basic to improve the quality or quantity of maize seeds.

玉米胚乳发育游离核期具有独特的细胞分裂方式与细胞周期进程，直接影响玉米籽粒的形成。为研究胚乳游离核形成及发育调控机制，本项目前期对不同发育阶段天塔5号玉米胚乳进行转录组测序，通过对细胞周期重要功能基因的筛选，结合QF-PCR及启动子驱动GUS表达实验，明确了细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子ZmKRP3在胚乳发育游离核期的时空表达特异性。以此为基础，本项目将进一步利用体外重组和基因标记技术验证ZmKRP3的亚细胞定位、与其作用靶向蛋白及其激酶抑制剂活性，通过玉米转基因策略，利用流式细胞及形态解剖学技术，揭示ZmKRP3作为重要细胞周期组分对游离核的形成、游离核期持续时间、游离核数量、游离核DNA含量及倍性水平的调控作用，并探讨ZmKRP3的表达对玉米籽粒大小及粒重的影响。通过本项目研究，有助于深入了解玉米胚乳发育调控理论，为分子设计进行玉米的高产育种和品质改良提供理论依据、技术途径和遗传基础。

玉米是全世界最主要的禾谷类粮食和饲料作物之一，广泛应用于农业、工业及食品行业。由于胚乳占玉米籽粒重量80%-85%左右，胚乳细胞的分裂和发育状况决定着籽粒的重量和品质。而植物的胚乳发育是一个高度程序化的过程，在多个层面上受到精确调控，其发育及调控机制是生殖与发育生物学领域的前沿科学问题。探究调控玉米胚乳发育的重要功能基因，阐明胚乳发育的分子调控机理，不但具有重要的理论意义，而且具有广泛的应用价值。为研究胚乳游离核形成及发育调控机制，本项目前期对不同发育阶段天塔5号玉米胚乳进行转录组测序，通过对细胞周期重要功能基因的筛选，通过对胚乳发育不同时期转录组测序RPKM值取对数处理绘制热图，ZmKRP3在胚乳发育前期特异性高表达。结合QF-PCR及启动子驱动GUS表达实验，明确了细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子ZmKRP3在胚乳发育游离核期的时空表达特异性。同时，本项目进一步利用体外重组和基因标记技术验证ZmKRP3的与其作用靶向蛋白及其激酶抑制剂活性，通过构建KRP基因的RNAi表达载体和玉米转基因策略，揭示ZmKRP3作为重要细胞周期组分对玉米籽粒大小具有重要影响影响。与此同时，本项目验证了KRP基因的表达可能与逆境环境植物内源ABA含量关系密切，意味着玉米等作物可能通过KRP基因的表达调控植株或籽粒的大小来适应外界环境的变化，为对KRP的调控打开了一个新的研究思路。通过本项目研究，有助于深入了解玉米胚乳发育调控理论，为分子设计进行玉米的高产育种和品质改良提供理论依据、技术途径和遗传基础。