SIP1和SLG7互作调控水稻粒型的分子机制研究

Rice grain yield and quality largely depend on grain size. Identification, functional analysis and genetic mechanism of the genes responsible for grain size provides foundation of molecular breeding. Previously, we identified a novel QTL, SLG7 (Slender Grain on chromosome 7), that is responsible for grain shape, using backcross introgression lines derived from 9311 and Azucena. The SLG7 allele from Azucena produces longer and thinner grains, although it has no influence on grain weight and yield production. However, the molecular mechanism of SLG7 remains unknown. We used yeast two-hybrid system to screen the interacting protein with SLG7. The interaction of SLG7 with SIP1 (SLG7 Interacting Protein 1) was confirmed by yeast two-hybrid and pull down. In this project, the interaction of SLG7 with SIP1 will also be confirmed by Bimolecular Fluorescence Complementation and Co-Immunoprecipitation assays. The biological function of SIP1 will be validated through RNA interference, overexpression and CRISPR/Cas9 mutant. Multiple biochemical, physiological and transcriptomics strategies will be employed to uncover the roles of SIP1. After the completion of the project, the molecular mechanism of SIP1-SLG7 interaction for rice grain size regulation will be clearly elucidated.

水稻粒型与产量、品质密切相关。控制粒型基因的克隆、功能分析和分子调控机理的研究是水稻分子育种的基础。申请者在前期研究中克隆了水稻控制细长粒型的一个关键 QTL SLG7 (Slender Grain on chromosome 7)，可以显著提高籽粒长宽比并改良稻米的外观品质，但其分子机制尚不清楚。为了探明了其分子机理，利用酵母双杂技术筛选到了一个与其互作的蛋白SIP1(SLG7 Interacting Protein 1)，并利用pull-down技术进行了验证。本项目拟在此基础上，利用双分子荧光互补和免疫共沉淀等方法进一步验证SLG7和SIP1的互作；对SIP1基因进行CRISPR/Cas9敲除、基因过表达和RNA干扰，系统地构建一系列转基因株系，进行表型、形态解剖、生理生化和转录组学分析，解析SIP1的生物学功能及信号传导途径，揭示SIP1和SLG7互作调控水稻粒型的分子机制。

水稻粒型与产量和品质密切相关，相关基因的鉴定和分子机制研究可为水稻产量和品质的改良提供遗传信息。前期研究中，项目组定位和克隆了一个控制水稻细长粒型的QTL位点SLG7，并通过酵母文库筛选获得了与其互作的蛋白SIP1 (SLG7 Interacting Protein 1)。利用酵母双杂交和Pull-down实验进一步验证了SLG7和SIP1的互作。SIP1基因编码一个PP2C蛋白磷酸酶A亚家族（PP2CA）成员OsPP2C09，是ABA信号途径的重要组成部分。转基因系农艺性状调查发现，过量表达OsPP2C09会显著增加粒长和单株产量，与日本晴相比，粒长分别增加了2.06%和3.35%，单株产量分别增加了7.80%和9.48%。然而，CRISPR/Cas9敲除突变体的表型与过量表达转基因系相反，粒长分别减少了2.19%和2.45%，单株产量分别降低了4.74%和5.43%。因此，OsPP2C09可以正调控水稻粒型和单株产量。颖壳扫描电镜观察和幼穗横截面组织切片比较发现，OsPP2C09通过调控细胞大小影响水稻籽粒大小。OsPP2C09可以与ABA信号核心组分OsPYLs和OsSAPKs产生相互作用，并可以在体外去磷酸化相关的OsSAPKs。OsPP2C09可以通过ABA信号转导途径负调控耐旱性。外源ABA处理可以显著诱导OsPP2C09的转录和蛋白水平，从而反馈调节过量的ABA信号响应和水稻的生长停滞。在正常生长条件下OsPP2C09在水稻根中的表达水平要高于茎中，并且在外源ABA，PEG和脱水处理后在根中的积累速度也更多更快。因此，OsPP2C09在根和茎中的表达差异，可能会增加水稻的根冠比。本项目的研究结果说明，OsPP2C09是水稻生长和抗旱平衡的关键调控因子。