水稻不定根及侧根发育调控基因CLRD1的克隆和功能研究

Roots are vital vegetative organs that absorb water, nutrients, and anchor plants. It is of great biological significance to study the molecular mechanism of root development. As a major food crop and monocotyledonous plant, rice has a typical fibrous root system. Adventitious roots and lateral roots are important components of their fibrous root system. Therefore, analyzing the molecular mechanism of adventitious roots and lateral roots development will help improve the root system of rice and other crops..This project screened a new type of root developmental defect material, located the target gene by map-based cloning, and named it CROWN and LATERAL ROOT DEFECT 1 (CLRD1). CLRD1 is a new gene that encodes a predicted family member of vesicle transport-related proteins. The study found that CLRD1 is localized to the plasma membrane, and the normal localization pattern changed in mutants, which severely inhibited adventitious roots and lateral roots development. This project will combine bioinformatics, molecular genetics (creation and analysis of genetic materials such as CLRD1-RNAi, p35S-CLRD1), physiology (detection of hormones and nutrients), and other methods to further study the function of CLRD1, and explore the application scenarios of CLRD1 in root improvement breeding.

根是吸收水分、养分及锚定植株至关重要的营养器官，研究根系发生分子机制具有重要生物学意义。水稻作为主要粮食作物兼单子叶模式植物，也是典型的须根系植物。不定根及侧根是其须根系的重要组成部分，因此阐明不定根及侧根发育调控分子机制，将有助于水稻根系改良，并为其他作物根系改良提供借鉴。.本项目筛选到一份新型根系发育缺陷材料，采用图位克隆的策略定位了目标基因CLRD1。该基因与已报道的根系发育相关基因均不等位，是一个新基因，其编码一个预测的囊泡转运相关蛋白家族成员。研究发现CLRD1定位于细胞质膜，突变导致其膜定位模式发生改变，突变体表现为不定根及侧根发育受到严重抑制。本项目将结合生物信息学、分子遗传学（CLRD1干涉和过表达等遗传材料的创制和分析）、生理学（激素和营养元素含量检测）等方法手段，深入研究CLRD1的功能，解析CLRD1的分子调控通路，并探索CLRD1在根系改良育种中的应用场景。

不定根及侧根是水稻根系的主要组成部分，它们的生长发育过程受到复杂遗传因素的综合调控。阐明不定根及侧根发育调控分子机制，将有助于水稻根系改良，并为其他作物根系的遗传改良提供借鉴。.本研究以EMS诱变的黑粳2号（Hei Jing 2，HJ2）突变体库中筛选到的根系发育缺陷材料为研究对象，通过与籼稻Kasalath杂交发展F2遗传分离群体，利用图位克隆手段锁定了目标基因，并命名为CROWN and LATERAL ROOT DEFECT 1（CLRD1）。CLRD1与已知的根系发育相关基因均不等位，是调控不定根及侧根发生的新基因。本研究结合细胞生物学、遗传及生物化学等分析策略，对CLRD1进行系统研究并取得了以下主要研究结果：.1、筛选获得了一份“独根、光根”表型的水稻根系发育突变体材料，即与同一生育期野生型相比，该突变体没有可见不定根和侧根，且主根（种子根）较野生型显著变短；.2、克隆了调控该性状的目标基因CLRD1。测序验证发现突变导致CLRD1编码序列发生提前终止突变。.3、组织定量结果显示CLRD1在根、茎、叶等组织中均有表达，且突变体中该基因的表达不受明显影响。利用CLRD1启动子驱动GUS报告基因的转基因稳定植株染色显示该基因在根系中有较强表达，且在突变体根中具有相同表达；.4、利用35s启动子驱动GFP融合CLRD1或clrd1并发展稳定遗传转化植物材料，通过对相应材料根部进行激光共聚焦观察并成像，结果发现CLRD1定位于细胞质膜，而clrd1突变导致了定位模式发生异常。.5、将DR5:GUS遗传转化到CLRD1/ clrd1杂合子中，对其后代分离出来的野生型和突变体表型材料进行GUS染色，结果显示在clrd1的不定根原基处没有类似在HJ2中的“穹顶状”GUS染色分部特征。进一步对相应材料根部取样检测发现突变体较野生型根中的生长素浓度没有显著变化；.6、通过对HJ2及clrd1根茎结合部取样及利用RT-qPCR分析发现生长素合成及信号通路相关基因的表达水平在突变体中发生了不同程度的紊乱。.本研究结果阐明了CLRD1在水稻不定根及侧根生长过程中的功能，并首次揭示了SNARE蛋白在水稻根系发育方面的调控机制，为水稻理想根系育种提供理论基础及基因资源。