水稻次生细胞壁合成调控网络及其关键因子功能的研究

细胞壁是植物在长期进化过程中形成的重要结构，对于植物的细胞形态、生长发育、机械强度以及抗逆胁迫反应都具有重要作用。水稻是重要的粮食作物和禾本科模式植物，但对其次生细胞壁合成代谢调控机制知之甚少。本项目拟从水稻全生育期共表达基因网络分析入手，筛选与次生细胞壁合成相关的基因，结合酵母单/双杂交文库筛选、T-DNA插入突变体和转基因材料的表达谱及其细胞壁的理化性质分析，互相验证和补充，初步建立水稻次生细胞壁合成调控网络。在此基础上，采用互作分析（ChIP、Co-IP、Pull-down和 EMSA等）、亚细胞定位以及遗传互补等手段重点研究次生细胞壁纤维素合成和调控的关键因子，阐明其与次生细胞壁结构成分、茎秆强度的关系。本项目是对现有水稻次生细胞壁合成调控机理研究的必要的、有益的补充，将大大加快禾本科作物次生细胞壁研究进程及其遗传改良。

植物细胞壁是在长期进化中形成的重要结构，对于植物的细胞形态、生长发育、机械强度以及抗逆胁迫反应都具有重要作用。水稻是重要的禾本科粮食作物和模式植物，但对其次生细胞壁合成代谢调控机制知之甚少。本项目首先从水稻全生育期基因表达数据分析入手，鉴定了次生细胞壁合成相关基因模块。项目测定了水稻不同发育时期的29个组织器官的细胞壁组成，发展了一种加权共表达网络分析方法，结合CREP水稻全生育期基因组表达芯片数据库，确定了与初生细胞壁、次生细胞壁合成和建构、半纤维素修饰和降解以及与木质素G 单体合成调控相关的5个基因模块。该结果为根据细胞壁遗传改良的需要选择相关基因提供了一个基础。项目从共表达模块中选择了一个半纤维素相关基因，鉴定了其T-DNA突变体，创建了超量和RNAi植株，对茎秆发育相关表型开展了研究。项目还重点分析了木质素合成途径各基因家族，通过研究不同发育阶段茎秆不同部位的基因qRT-PCR数据和木质素单体（H、S和G）含量的关系，结合全生育期芯片表达数据，确定了和木质素单体合成相关的重点基因C3H和COMT，已用Gateway系统构建超量和RNAi载体进行转化，正在用CRISPR基因编辑系统进行载体构建，以研究基因功能。项目还采用正向遗传学手段，筛选了T-DNA和理化诱变的水稻茎秆突变体，图位克隆了其中c116、c17和c8三个基因，进行了遗传互补、RNAi和超量表达研究以及GUS染色、RT-PCR表达模式和亚细胞定位，系统研究了突变体的茎秆细胞壁组成结构、机械性能、农艺性状、稻米品质、抗病性能和酶解转化效率。项目重点以c8基因（MYB转录因子）为切入点，通过酵母双杂交，确定了与其互作的其他3个MYB类转录因子；通过其芯片表达谱改变结合共表达分析，确定了其下游细胞壁相关基因；通过CHIP-seq寻找其直接转录调控的基因，已完成建库，正在测序。该MYB调控途径的部分候选基因已得到转基因阳性苗。本项目不仅确定了次生细胞壁三大成分纤维素、半纤维素和木质素合成调控的相关基因，而且分析半纤维素单糖、木质素单体等精细组成的相关基因，转化了一些重要的候选基因，克隆了处于细胞壁合成调控网络不同节点的突变体基因，找到了一个关键的转录调控基因，从面（网络基因模块）、线（MYB代表的途径）、点（重要相关基因）三方面研究了水稻次生细胞壁调控网络，将加快禾本科作物次生细胞壁的研究和遗传改良。