水稻垩白相关基因OsPK2的克隆与功能研究

Grain chalkiness is highly undesirable agronomic trait which related to starch granules development in the seed. The researches on genetic and molecular mechanisms of chalkiness formation are of great significance for quality improvement in rice breeding. Here, we isolated a mutant chalk4 (chalkiness4) from tissue culture of Nipponbare, which exhibited serious grain chalkiness in seeds. Genetic studies indicated that the mutant phenotypes were controlled by one recessive gene. The map-based cloning revealed that mutant phenotypes were caused by the mutation of an unreported gene OsPK2, encodes a private kinase. In this project, we will study the biology function of OsPK2 from the aspects of transgenic complementation, overexpression, gene pointed-knockout, expression pattern, private kinase activity et al. These results will lay a foundation for understanding the molecular mechanism how private kinase affects the chalkiness formation in rice and also provide gene resource and theoretical basis for improving rice yield and quality.

垩白严重影响稻米外观品质，与种子淀粉颗粒的发育相关。水稻垩白形成遗传机理的研究对于水稻品质改良意义重大。我们在日本晴的组培过程中发现了一份高垩白突变体chalk4，遗传分析和图位克隆表明高垩白受单隐性基因控制，因编码一个丙酮酸激酶基因功能丧失所致，定名为OsPK2。本项目在已有研究基础上，从基因互补、过表达、基因敲出、表达模式以及激酶活性等方面深入研究OsPK2基因的分子生物学功能，揭示其调控垩白的遗传机理，为水稻品质改良育种提供基因资源和理论依据。

籽粒灌浆是一个复杂的农艺性状，直接决定水稻（Oryza sativa）的粒重和品质。然而，影响水稻填充的关键因素仍然知之甚少。在该项目中，我们鉴定了一个水稻灌浆基因OsPK3，该基因编码丙酮酸激酶（PK）。OsPK3功能的丧失导致水稻的PK活性降低和蔗糖从源到库的转运受阻，从而导致籽粒灌浆减慢。表达谱研究发现OsPK3是组成型表达，但是在叶片和发育的颖果中具有相对较高的表达水平，并且在参与蔗糖运输和卸载的组织中具有特定表达信号，从而推测该基因具有通过影响蔗糖运输来调节籽粒充实的生物学功能。OsPK3的亚细胞定位分析表明其与线粒体相关，OsPK3在体内与其他两种PK同功酶OsPK1和OsPK4相互作用并形成异源二聚体。OsPK1和OsPK4都定位于线粒体和细胞质，并被OsPK3招募到线粒体表面。尽管它们具有高度的序列相似性，但OsPK1和OsPK4具有不同的表达模式。如对ospk3所观察到的，OsPK1的破坏导致多效性缺陷，而OsPK4的功能丧失导致严重的白垩粒，而没有其他明显的缺陷。综上所述，我们揭示了两个线粒体相关的丙酮酸激酶复合物，OsPK3-OsPK1/OsPK4，通过调控发育阶段特定的蔗糖转运参与水稻灌浆的调节。我们的研究深入的解析了丙酮酸激酶复合体调控水稻灌浆、影响水稻籽粒品质的分子机制，进一步完善了水稻灌浆的遗传机制，具有重要的意义。