水稻赤霉素代谢通路相关基因功能及演化规律的研究

Gibberellin, which plays an important role in morphology control and physiology regulation, is an essential hormone for most of the higher plants. The synthesis and deactivation is catalyzed by multiple enzymes, which are highly conserved in most of the higher plants. But the copy numbers of genes coding these enzymes are varying among different species, which provide a chance for studying the functional differentiation and evolutionary principles of conserved genes with multiple copies. We plan to select the 34 genes from 7 gene families associated with the Gibberellin metabolism pathways to knock out with CRISPR-Cas9. Based on the phenotypic changes of deficient mutants, we could determine the functions of genes in different steps of the pathway, the function and expression differentiation model of different copies of genes, and the evolutionary principles of different gene families in the same pathway. We could also combine the gene functions and their population polymorphism data to study the contribution of these genes in rice populations. Our project will study the functional evolution of genes in a pathway view and will try to discover new genes with potential in production.

赤霉素是高等植物中不可或缺的一种植物激素，在形态控制和生理调控等方面都有着重要的作用。赤霉素的合成和失活经由多个步骤的催化，这些催化步骤在高等植物中是高度保守的，但编码催化这些步骤的酶的基因常常出现多拷贝化，且不同物种间拷贝数的变化较大。这为探讨功能保守基因多拷贝的功能分化与演化规律提供了较好的研究材料。本研究拟对参与水稻赤霉素代谢通路的7个基因家族，共计34个基因进行CRISPR-Cas9敲除，确定每个基因对表型的影响及其潜在功能，探索在赤霉素代谢通路中各关键步骤所有相关基因的功能，不同基因拷贝的功能分化与表达分化的模式，以及同一通路中的多个基因家族的演化规律；同时将这些基因的功能与其在水稻群体中多态性数据进行关联，探讨其中的水稻群体中演化规律与贡献。本研究将从代谢通路的角度，对基因功能演化模式进行综合研究，尝试寻找新的有潜在生产应用价值的基因。

赤霉素通路在植物生理和形态建成方面有着重要的作用，在水稻中赤霉素通路与多个承担不同步骤的基因家族相关，多个在生产上有重要价值的基因成员如SD1、IPA1/SPL14等已被报道。本研究以CRISPR-Cas9敲除为基本手段，对水稻中赤霉素通路相关蛋白的编码基因家族进行了系统性的敲除和功能研究。研究发现相关基因拷贝数在物种间频繁发生变化，基因拷贝发生扩增后伴随着新功能化以及基于转录频谱改变的亚功能化。相关基因在敲除后，水稻的株高、穗型及籽粒大小等重要农艺性状也随之发生了一系列改变。群体多态性数据也表明，其中有众多基因同时在人工驯化的过程中受到了强烈的人工选择，说明这些基因在作物选育中可能有着重要价值。本研究建立了一套系统性研究水稻多基因家族功能演化的方法，为系统评估基因功能、筛选重要农艺性状的调控基因提供了基础。