水稻驱动蛋白家族基因SAR1的功能研究

驱动蛋白（Kinesin）超家族是一类微管依赖性的马达蛋白超家族，家族成员的共同特征是包含一个高度保守的kinesin结构域。动物Kinesin参与囊泡运输、微管解聚等重要过程，但目前对植物Kinesin家族蛋白的功能还知之甚少。我们通过诱变筛选获得一个籽粒变圆的水稻突变体sar1，进一步分析及缺失和互补验证显示Kinesin-13a家族成员SAR1基因的变异是导致sar1表型的直接原因。本项目将以水稻sar1突变体为材料，深入分析该突变体的形态学和细胞学表型，揭示Kinesin家族基因SAR1在水稻中的具体生理和细胞学功能；同时结合该基因的时空表达模式和亚细胞定位分析阐释该基因行使功能的分子细胞学机制；了解单、双子叶植物Kinesin-13a类蛋白的功能差异和进化关系；明确SAR1基因在调控水稻籽粒大小与形状中所发挥的作用，为利用基因工程技术改良稻米外观品质和提高水稻产量提供理论依据。

驱动蛋白-13家族是一类微管结合蛋白，该家族的蛋白在其氨基酸序列中段包含了一个保守的驱动蛋白马达结构域。在动物中，驱动蛋白-13家族成员在有丝分裂期和间期细胞的微管动态调节中发挥了重要功能。双子叶植物驱动蛋白-13家族成员在叶表皮毛细胞参与了高尔基体分布的调控，在根冠外周细胞参与了高尔基体囊泡的分泌，在木质部细胞参与了次生壁纹孔的形成。但是，单子叶植物驱动蛋白-13家族成员的生物学功能目前并不是特别清楚。本项目鉴定了一个单子叶植物水稻驱动蛋白-13家族基因SMALL AND ROUND GRAIN1（SAR1）。该基因的突变体sar1表现出籽粒变圆、植株矮化、闭颖授粉及部分不育这四方面的异常表型。进一步的分析显示SAR1基因的突变直接导致外部的稃片长度变短，进而间接限制了内部颖果的大小，使整个籽粒都变短变圆。SAR1基因的突变同时还造成茎节间和叶长度缩短，从而使sar1突变体表现出植株矮化的表型。此外，浆片变小可能是导致闭颖授粉的原因。细胞学分析显示在sar1突变体中，细胞壁纤维素微纤丝的沉积模式出现异常，这一异常影响了细胞的伸长，使细胞长度变短，最终造成稃片、茎节间和叶长度的变短。微管药剂处理和生化分析显示Sar1蛋白是一个活性的微管解聚酶，参与了体内微管的动态调节。通过免疫标记实验发现Sar1蛋白主要定位在起源于高尔基体最终将被运输到细胞表面的囊泡上。基于本项目的研究结果，我们推测，Sar1蛋白利用其微管解聚活性来影响囊泡从高尔基体到细胞表面的运输，进而通过影响纤维素微纤丝的沉积来参与细胞的伸长。综上所述，本项目的发现揭示了单子叶植物驱动蛋白-13家族成员行驶的生物学功能与动物和双子叶家族成员并不相同，水稻驱动蛋白-13家族蛋白Sar1是一个通过影响细胞伸长参与稃片生长和籽粒大小调控的微管解聚酶。同时，本项目研究为利用分子育种技术改良稻米外观品质和提高水稻产量提供了有应用价值的新信息。