水稻伸长节间分蘖芽伸长抑制基因ABR1的分子调控机制研究

Tillering is one of the important agronomic traits affecting the plant architecture in rice, which determines the number of effective panicles and then affects yield formation potential. In previous studies, we obtained a novel tiller mutant abr1 (abnormal branch 1) from the Nipponbare mutant library. The dormancy of tiller buds on the elongated internode was broken in abr1 mutant, which caused the tiller buds to form tillers. Based on map-based cloning of candidate genes and ABR1 transgenic complementation verification, we will further carry out series of functional expression vector construction and genetic transformation or transient expression to clarify the specificity of organization and temporal expression of ABR1. To figure out the hormone pathway of ABR1 regulating the outgrowth of tiller buds on the elongated internode, we will develop the exogenous treatment and endogenous detection of auxin and strigolactones. We will also carry out screening and identification of interaction proteins of ABR1, and editing or knockout of the corresponding genes of the interaction proteins. Then we will illustrate the effect of ABR1 gene in regulating the outgrowth of tiller buds on the elongated internode with the construction of the genetic double mutant and RNA-Seq results. Finally, we will identify the alleles of ABR1 gene in conventional core germplasm resources to explore its application prospect in molecular design breeding in rice plant architecture.

分蘖是影响水稻植株形态的重要农艺性状之一，它决定水稻的有效穗数进而影响水稻产量形成潜力。在前期的研究中，我们从粳稻日本晴突变体库中获得一个新的水稻分蘖突变体abr1(abnormal branch 1)，其表现为伸长节间上分蘖芽休眠被打破从而伸长生长形成分蘖。本申请在图位克隆获得ABR1候选基因并完成转基因互补验证的基础上，拟进一步开展系列功能表达载体的构建及遗传转化或瞬时表达，明确ABR1的组织和时空表达特异性；开展生长素、独脚金内酯等植物激素的外源处理及内源测定，明确ABR1抑制伸长节间上分蘖芽伸长生长的激素途径；开展ABR1互作蛋白的筛选和鉴定以及互作蛋白对应基因的编辑或敲除，结合遗传双突变体的构建及RNA-Seq结果，阐明ABR1基因在调节水稻伸长节间上分蘖芽伸长生长中的作用，并利用常规核心种质资源，进行ABR1基因的等位基因型鉴定，探索其在水稻株型分子设计育种中的前景。

分蘖是水稻等禾本科作物在生长发育过程中形成的一种特殊分枝，它决定了水稻的有效穗数进而影响水稻产量形成潜力，是当前培育高产优质水稻新品种重点关注的农艺性状之一。研究水稻分蘖的形成过程及空间结构在改良水稻株型、提高水稻有效穗数等方面具有重要的应用价值和现实意义。在前期完成转基因互补验证、确认水稻伸长节间分蘖芽伸长生长调控基因ABR1候选基因的基础上，开展了ABR1基因cDNA的分离，并构建系列表达载体；利用RT-PCR、GUS组织化学染色、原位杂交、Western杂交等分析了ABR1的组织和时空表达特异性，结果显示，ABR1 在RNA水平上主要在分蘖芽、发育中的幼穗等组织中高表达，而其他组织中表达丰度很低；ABR1蛋白在所有伸长节间分蘖芽中均高富集，而在基部分蘖芽中表达量极低。利用水稻原生质体瞬时转化和ABR1-GFP标签转基因株系根尖震荡切片，明确了ABR1蛋白的细胞质定位特征。通过过表达及CRISPR/Cas9系统进行基因编辑，进一步明确了ABR1基因在不同遗传背景下对伸长节间分蘖芽具有相同的调控机制。abr1 d27双突变体遗传分析、内源epi-5DS含量和伸长节间分蘖芽（UT2,UT3,UT4）IAA含量测定等发现，ABR1调控水稻伸长节间分蘖芽伸长生长独立于独脚金内酯途径，而通过影响伸长节间分蘖芽中IAA浓度来调控伸长节间上分蘖芽伸长生长。通过酵母双杂、Co-IP和BiFC等实验，结合基因敲除和遗传学分析，发现ABR1和K12A/B相互作用通过共同的途径调节伸长节间上分蘖芽伸长生长。利用RNA-Seq 技术分析发现，ABR1通过调节PIN1s基因的表达影响伸长节间分蘖芽中IAA的运输或浓度，从而调控伸长节间上分蘖芽伸长生长。利用常规核心种质资源进行等位基因型分析发现，ABR1基因CDS区域在粳稻和籼稻中具有相同的单倍型；ABR1基因ATG上游2kb区域在粳稻、籼稻和野生稻中具有不同的单倍型，粳稻中ATG上游区域存在237 bp的插入，可能会影响ABR1基因的表达，造成籼稻和粳稻高节位分蘖表型的不同。我们根据上述结论，结合ABR1基因启动子等序列差异，设计了功能性的分子标记，可用于下一步水稻分子设计育种研究。