野生稻落粒性调控基因SH8的功能分析与分子进化研究

Seed shattering is an important agricultural trait during rice domestication. In rice production, easy shattering causes a huge loss of yield, yet non-shattering would not facilitate the harvest. We have identified the SHATTERING8 (SH8), which is required for seed shattering through improving the development of abscission layer in common wild rice (O.rufipogon Griff.). Yeast two hybrid experiment revealed that SH8 interacted with qSH1, which was previously identified and shown to be required for abscission zone formation. Moreover, previous studies indicated that genes involved in seed shattering referred to the regulation of lignin biosynthesis pathway, we also have conducted the RNA-seq of SH8 transgenic plant and the results revealed that the lignin biosynthesis was significant. Based on the above mentioned, we are going on identifying the biological function of SH8, exploring the possible seed shattering regulation pathway in rice which SH8 is involved in, revealing the molecular evolution characteristics of SH8 and developing closely linked molecular markers. The result of this research will be use for elucidating seed shattering regulation mechanism in rice, breeding the rice seed shattering habit.

落粒性是水稻驯化过程中一个重要的农艺性状。在生产上，水稻的容易落粒会引起产量的巨大损失，而籽粒的难以脱落又会引起收获的不便。申请者在前期研究中克隆了来自茶陵野生稻的落粒基因SH8，转基因功能验证表明该基因可以促进离层的发育，酵母双杂实验发现其可以与已克隆的落粒基因qSH1发生蛋白互作。此外，已有研究报道水稻落粒基因参与离层部位木质素合成的调控，同时申请者对SH8转基因植株和亲本的转录组分析结果也表明木质素合成途径显著。本项目将在此基础上，结合组织学分析、蛋白互作和蛋白DNA互作等技术分析离层的生理变化、SH8与qSH1蛋白互作和SH8基因调控的下游靶基因及结合位点,鉴定SH8的生物学功能并探索其可能参与的调控途径；同时比较不同来源野生稻和栽培稻SH8基因的序列差异和结构变化，探明其分子进化特征并开发紧密连锁的分子标记。研究结果可以为水稻落粒调控机理的阐明和水稻品种落粒性的选育提供重要参考。

落粒性不仅是水稻早期的驯化性状，也是水稻生产中的农艺性状。因此，挖掘和克隆水稻落粒基因，对于阐明水稻驯化历程和提高水稻生产效率具有重要意义。本研究从白谷(Pei-kuh)和普通野生稻(W1944)构建的重组自交系中选取落粒性强且不含有SH4基因的材料E6-5，与Pei-kuh进行杂交构建分离群体，将前期检测到位于8号染色体的落粒QTL精细定位于26.4kb的区间内，结合序列分析和表达分析确定LOC_Os08g41950作为SH8的目标候选基因。通过遗传转化实验证明，LOC_Os08g41950过表达转基因植株的落粒性显著增强。组织表达分析和原位杂交结果表明SH8基因在花柄尤其是离层周围细胞中表达较高，这与其功能相符合。免疫共沉淀(Co-IP)和双分子荧光互补（BIFC）实验结果表明SH8基因与已克隆的落粒基因qSH1、SH5和OSH15发生蛋白互作。凝胶迁移实验结果表明SH8与OSH15形成蛋白复合体可以与肉桂酸脱氢酶（CAD）启动子上的“CArG-box”结构位点发生结合。荧光定量PCR与木质素途径小分子的代谢组检测结果表明SH8基因的过表达会导致CAD基因表达下调，同时由CAD催化形成的松柏醇含量也显著降低。综合以上结果可以得出结论，SH8基因与其它落粒基因形成蛋白复合体，然后通过抑制CAD基因的表达来降低离层木质素的含量进而促进水稻落粒。