水稻早衰基因ESL1的克隆与作用机制研究

衰老是植物生命科学领域研究的核心课题，涉及转录因子、生物合成大分子、激素、信号传导等。目前在拟南芥上已有较多的研究，主要集中在逆境或离体诱发衰老上。在水稻中研究较少，对自然早衰研究更少，主要原因是突变资源的匮乏。到目前为止，仅报道了3个自然早衰突变体，均没有克隆基因，严重制约了人们对水稻叶片早衰分子机制的认识。我们利用EMS处理自育优良籼型恢复系缙恢10号，获得了一个稳定遗传的早衰突变体esl1,孕穗期叶片即开始衰老，一直持续到收获，受单隐性核基因控制，定位在第3染色体着丝粒位置约210kb的区域内。本项目拟在此基础上图位克隆基因，并利用RNAi、超表达、原位杂交、QPCR、电镜等技术研究基因功能。结果对阐释水稻早衰分子机理和着丝粒区域基因组研究具有重要的意义，可为水稻叶片早衰的遗传改良提供基因资源，具有理论和应用双重价值。

叶片早衰直接影响作物产量和品质，鉴定早衰突变体、图位克隆调控基因对于研究植物衰老机理具有重要的意义。EMS诱变缙恢10号，获得一个分蘖后期至成熟期叶片自然早衰突变体esl1，仅叶尖和叶上部边缘衰老，主脉部位正常不衰老，主要农艺性状均极显著下降。苗期突变体与野生型的光和色素含量无显著变化，分蘖期之后则极显著降低。esl1衰老部位细胞结构异常，叶绿体膜溶解、基粒模糊，基质片层疏松。esl1体内的H2O2和OH-1含量极显著高于野生型缙恢10号。保护酶系统，SOD活性显著升高、POD和CAT活性显著降低。CAT特征基因NOE1的表达下调。过量H2O2和OH-1不能及时清理是导致esl1叶片衰老的主要原因。esl1受单隐性核基因调控。利用12050株F2单株，最终将ESL1定位在第3染色体着丝粒区域168kb的物理范围内，并与swu328标记共分离。定位区间内含有26个注释基因，其中，有11个假定蛋白，3个转座子蛋白，7个反转录转座子蛋白，1个SHR，1个角蛋白，1个DNA-directed RNA聚合酶II亚基，1个吩嗪合成样蛋白域和1个阳离子过氧化物酶前体。对15个编码基因进行测序，均没有发现序列差异。此外，我们还在缙恢10号的EMS诱变体库中鉴定到一个类似早衰突变体esl5。与缙恢10号相比，esl5的苗期叶色正常，分蘖期呈黄绿色，孕穗期叶片中上部逐渐黄化衰老；衰老部位的细胞结构异常，细胞膜降解，叶绿体基质片层疏松、排列不规则，光合色素含量和光合速率极显著下降。esl5的生育期延长了20天左右，千粒重显著增加，穗粒数、实粒数和结实率则显著降低。esl5的H2O2和OH-1含量极显著高于野生型，CAT的活性显著降低；SOD活性显著低于野生型，POD活性则显著高于野生型。表明，同esl1一样，esl5的叶片早衰可能也与ROS途径相关。遗传分析表明，esl5受一对隐性核基因调控，最终将其定位在第3染色体着丝粒区域50.3kb的物理范围内，位于标记RM15040和Indel03-1之间，包含8个注释基因：2个编码F-box domain蛋白，3个编码表达蛋白，其余则分别编码蛋白磷酸酶2C、重金属相关domain蛋白以及LTV1蛋白。早衰突变体esl1和esl5的候选基因均定位在第3染色体着丝粒位置，表明该区域可能对水稻生命周期发育具有重要的影响。