水稻纤维素合酶复合体新组分CAP1基因的筛选与功能鉴定

Cellulose, the main load-bearing polymer of the cell wall, significantly impacts on cell growth, plant development and mechanical strength. Cellulose is synthesized by a super cellulose synthase complex (CSC) which is mainly composed by the cellulose synthase (CESA) proteins (OsCESA4,7,9) in rice. However, the other components of CSC and biological functions for them remain elusive. In our previous study, we performed a global genes co-expression analysis using CESA4,7,9 as guide genes. Furthermore, we analyzed CSC composition via Co-immuno-precipitation (Co-IP) followed by Mass spectrometry (MS) techniques in stem at the heading stage. Comparison of the two results, we screened out a new component of CSC, which we called cellulose synthesis associated protein (OsCAP1). The T-DNA insertion mutant of OsCAP1 displayed shorter plant height and less cellulose content compared to wild type, which indicate the OsCAP1 functions in cellulose biosynthesis. In this proposal, we will generate the transgenic mutants of the OsCAP1 gene, and analyze the effects of OsCAP1 mutation on plant growth and cellulose structure; The OsCAP1 promoter::GUS and OsCAP1-GFP transgenic plants will be developed to detect the OsCAP1 gene expression pattern and protein subcellular localization, respectively; Finally, we will use multiple biochemistry and cell biology techniques to identify the interaction between OsCAP1 and CESA proteins. This study will not only contribute to understanding the mechanism of OsCAP1 involved in cellulose synthesis, but also deepen the understanding of CSC complex in rice, and facilitate genetic improvement of cellulose biosynthesis in rice.

纤维素作为植物细胞壁的骨架物质，对维持植物的细胞形态、生长发育和机械强度具有重要作用。水稻纤维素由纤维素合酶（CESA）为核心的多亚基复合体（CSC）合成。除CESA亚基外，水稻CSC其它组成蛋白及其功能不甚清楚。申请人前期结合水稻全生育期基因共表达分析和抽穗期茎秆CSC复合体免疫共沉淀(Co-IP)/质谱(MS)分析，初步鉴定出一个CSC新亚基成员OsCAP1。OsCAP1基因T-DNA插入突变体与野生型相比株高变矮、纤维素含量降低。本研究拟通过转基因技术创建OsCAP1基因的功能突变体，分析OsCAP1的生物学效应；利用报告基因检测OsCAP1基因的表达模式及蛋白质的亚细胞定位；采用多种生物化学和细胞生物学技术解析OsCAP1与CESA的互作关系，探索OsCAP1蛋白参与水稻纤维素合成的作用机制。本研究将深化对水稻CSC复合体作用机制的认识，加快水稻纤维素合成研究进程及其遗传改良。

纤维素是植物细胞壁的骨架组分，对于维持细胞的正常形态和茎秆的机械强度等具有重要作用。纤维素是地球上含量最丰富的化合物，是人类生产活动的重要原料。纤维素由纤维素合酶（CESA）合成。除CESA外，水稻中其它参与纤维素合成的基因尚未被广泛挖掘。本项目围绕CESA及其共表达基因CAP1/BZ1参与纤维素合成的机制展开研究。我们首先筛选并鉴定了一个新的水稻CESA4突变体脆秆fc17（fragile culm 17）。fc17 突变体表现全株脆性，无其它明显生长发育缺陷，抗倒伏能力提高。细胞壁结构和组分分析表明，CESA4突变引起细胞壁重塑，表现为细胞壁变薄，纤维素含量降低，半纤维素和木质素含量升高。Fc17的细胞壁重塑进一步促使其生物质降解效率显著提高。因此，本部分研究表明，CESA4参与水稻纤维素合成，CESA4可用于水稻细胞壁的遗传改良，进而提高水稻的抗倒伏能力及其秸秆的综合利用效率。在此基础上，我们进一步筛选到CESA的共表达基因CAP1/BZ1，并对其生物学功能进行了深入的研究。CAP1/BZ1突变导致水稻产生脆秆和斑马叶表型。CAP1/BZ1编码UDP-葡萄糖/半乳糖异构酶，在植物组织中广泛表达，其中在茎秆和叶片中表达量较高。细胞壁和叶绿体结构分析发现，bz1突变体细胞壁显著变薄，叶绿体膜崩塌。免疫组化、免疫胶体金透射电镜和冷冻传输扫描电镜等技术分析表明，bz1突变体中细胞壁糖蛋白AGP和叶绿体膜单半乳糖脂合成受阻。这些结果表明，CAP1/BZ1参与UDP-半乳糖合成，为AGP和单半乳糖脂的糖链合成提供糖底物，因此，BZ1突变导致纤维素合成和叶绿体发育缺陷，进而引起脆性和叶色表型。转录组分析发现BZ1突变引起AGP合成和光合作用相关基因表达量显著下调。本研究拓宽了水稻纤维素合成相关基因资源，深化了对水稻纤维素合成机理的认识，为水稻细胞壁相关性状遗传改良提供了优质基因。