水稻主效落粒基因qSH1及其靶基因调控离层发育的分子机制

Seed shattering is one of the important biological traits of rice, which directly influences yield and quality. Rice seed shattering level is closely related to the development of abscission layer. Several genes involved in abscission layer development have been cloned. Among them, qSH1 is considered as the main shattering gene that controls the development of abscission layer. However, the mechanism of how qSH1 regulates seed shattering is not well studied. In this project, we will construct knock-out lines and GFP fusion lines driven by native promoter of qSH1 and analyze characteristics of rice abscission layer development and expression pattern of qSH1. In addition, we will check downstream target genes of qSH1 through ChIP-seq and verify by Y1H, EMSA and ChIP. In addition, we will study sequence alignment, expression patterns and protein subcellular localization of target genes. To investigate the role of these genes in rice abscission layer development and seed shattering, overexpression lines and knockout lines will be generated. This project will initiate molecular network of rice abscission layer and reveal the mechanism of rice seed shattering. And it will also provide new genetic resources for rice varieties with moderate seed shattering degree. At the same time, it has important theoretical significance and breeding application value to elucidate the molecular mechanism on the regulation of abscission layer development.

落粒性是水稻的重要生物学性状之一，直接影响着水稻的产量和品质。水稻落粒性的强弱与离层的发育程度密不可分。目前已经克隆出了一些和离层发育相关的基因，其中qSH1被认为是控制籽粒脱落和离层发育的主效基因，但其调控水稻落粒性的机制尚缺乏深入研究。在本项目中，申请人拟构建qSH1基因敲除系和自身启动子驱动的GFP融合蛋白表达系，以离层发育特征及qSH1在离层的表达模式为基础，通过分析ChIP-seq数据筛选其下游靶基因，并利用Y1H，EMSA及ChIP等实验验证筛选结果。然后对靶基因进行序列比对、表达模式和亚细胞定位分析，通过构建靶基因超表达系和敲除系探究其对水稻离层发育和落粒性的影响。本项目的开展将初步探索水稻离层发育的调控网络，进一步揭示水稻落粒的分子机理，为培育和改造出具有适度落粒性的水稻品种，为减少水稻生产中因落粒造成的产量损失并提高收获效率提供新的基因资源和解决思路。

水稻是我国重要的粮食作物之一，其落粒性直接影响着水稻的产量，而水稻的落粒性与离层的发育密不可分。因此，全面深入的了解水稻离层发育的调控机制，减少因落粒带来的产量损失，具有十分重要的现实意义。水稻的落粒性是由少数主效基因和多个微效基因共同控制的数量性状。其中qsh1 被认为是控制离层发育和籽粒脱落的主效基因。在其上游大约12Kb区域的一个核苷酸置换导致其在离层区域表达量下降，离层不能正常发育，从而使水稻呈现不落粒的表型， 本项目利用qSH1超表达系水稻小穗为材料进行ChIP-seq，找出受qSH1调控的下游基因，并进行功能验证，进而研究qSH1影响水稻落粒的分子机制。本项目获得以下实验结果：1、获得纯合pqSH1:qSH1-GFP水稻转基因植株、T2代35s:qSH1-GFP转基因植株及qSH1双靶点纯合基因编辑系。获得4CL3双靶点基编辑系。2、通过对日本晴不同组织取样，对qSH1基因的表达进行荧光定量分析可知，qSH1基因在穗中和花药中表达较高，在种子中次之，在叶片、嫩芽和根中有表达，在愈伤、雌蕊和糊粉层中几乎无表达。同时对日本晴幼穗进行石蜡包埋切片，对其进行原位杂交分析可知，在雄蕊和小穗轴表达量较高。3、qSH1基因编辑系拉力较野生型大，表明在没有离层的日本晴中，qSH1仍能够对籽粒拉力起作用。4、从35s:: qSH1-GFP株系取样小穗进行ChIP-seq分析，其下游有与木质素合成酶4CL3，表明qSH1可能通过调节离区木质素的含量来影响水稻落粒性。5、通过Y1H，EMSA，ChIP-qPCR、LUC等实验证实qSH1能够结合在4CL3的启动子上并抑制其表达。6、通过对4CL3基因编辑系进行拉力测定及断裂面电镜观察，证明离区木质素含量的减少能够增大籽粒的落粒性。项目的开展基于qSH1基因功能的基础上，分析和研究其调控机制，对于更加深入的了解离层发育基因的调控过程和籽粒脱落的信号转导途径具有非常重要的意义，并能从分子水平上培育或改造出具有适度落粒性的水稻品种。