水稻细胞分裂素氧化酶调控叶片衰老和产量的分子机理研究

Premature leaf senescence is known to decrease rice yield severely. Since cytokinin have also been known for many decades to be senescence-delaying hormones, the maintenance of cytokinin homeostasis in individual tissues is crucial. However，the underlying molecular mechanism driving this relationship remains largely undetermined. Eleven members of CYTOKININ OXIDASE (CKXs) family catalyze the irreversible degradation of the CKs, plays an important role in the regulation of cytokinins level in Oryza sativa, is quite a powerful tool for functional genomics studies of cytokinin functions. In this study, the rice mutant osckxa which using CRISPR/Cas9 gene editing technique showed an obvious delay in chlorophyll degradation and increase production phenotype. Thus, Systematic and thorough analysis of OsCKXa will be employed to reveal the special biological function for leaf senescence. In addition,we aim to clarify the mechanism of CK affecting photosynthetic capacity(source strength) and grain(sink strength) and establish the molecular regulation network of OsCKXs to maintain CK level so as to coordinate source-sink relationship in rice. This project will provide theoretical basis and application value for the resource innovation of agronomic traits in rice.

水稻早衰严重阻碍了产量潜力的发挥，细胞分裂素是植物体内延缓叶片衰老的重要植物激素，维持细胞分裂素在体内动态平衡非常重要，然而目前通过CK水平调节叶片衰老的分子机制尚不完全清楚。水稻细胞分裂素氧化酶/脱氢酶OsCKXs家族11个成员是调节内源细胞分裂素水平的关键因素之一，本项目拟以我们前期探明通过CRISPR/Cas9技术获得的osckxa突变体叶片存在明显的“滞绿”表型并且有效增加产量的基础上，重点对OsCKXa进行系统全面深入的分析揭示其对叶片衰老特异的生物学功能，明确OsCKXa调节水稻CK水平进而影响水稻叶片光合能力（源强）以及产量（库强）的作用机制，并建立OsCKXa维持植物体内CK水平从而协调水稻“库源”关系的调控网络，为水稻农艺性状的资源创新提供理论基础和应用价值。

旗叶和籽粒分别属于禾谷类作物的源和库，二者都关系到作物产量形成。水稻早衰显著降低了光合速率，减少光合产物积累，严重阻碍了产量潜力的发挥。而禾谷类植物的穗粒数是决定作物产量的重要因素之一。细胞分裂素作为一种重要的小分子激素，在叶片衰老和穗粒数/种子数目形成方面起着重要作用，因此维持细胞分裂素在体内动态平衡非常重要。本项目前期利用CRISPR-Cas9基因编辑技术创制了水稻11个细胞分裂素氧化酶突变体，利用黑暗离体诱导叶片衰老的方法鉴定了能调控叶片衰老的基因OsCKX11。田间试验表明osckx11突变体不仅表现出叶片适度延缓衰老表型，而且分蘖数和穗粒数均显著增加。基因表达模式分析表明OsCKX11主要在根、叶和穗部表达，并强烈受脱落酸（ABA）和叶片衰老的诱导。亚细胞定位证明GFP-CKX11融合蛋白定位于细胞质。体外重组OsCKX11蛋白催化多种类型细胞分裂素的降解，但对反式（trans-zeatin）和顺式玉米素(cis-zeatin) 表现出较强的偏好性。与野生型（WT）相比，osckx11突变体旗叶的细胞分裂素水平显著升高。此外，在osckx11突变体中，ABA生物合成基因下调，ABA降解基因上调，从而降低了ABA的含量，说明OsCKX11在叶片衰老过程中介导了细胞分裂素和ABA之间的拮抗关系。本研究揭示了细胞分裂素调控叶片衰老的分子机理，进一步发现敲除OsCKX11能同时提高光合作用和籽粒数，提高作物产量，为揭示叶片衰老分子机理以及作物分子育种提供了新思路。本项目结果还暗示OsCKX11可能是一籼粳稻分化基因，未来通过籼粳亚种间OsCKX11遗传机制研究，有助于揭示水稻衰老进程差异的遗传基础。