水稻F-box基因OsSDRF1在种子休眠性发育调控中的功能和分子机制

Seed dormancy is the key scientific topic in seed science. Moderate dormancy level can overcome the problem of pre-harvest sprouting (PHS) in rice production and improve seed storage quality. However, the genetic and molecular mechanisms of seed dormancy is unclear. Previously, we have cloned a novel natural variation F-box gene controlling seed dormancy, OsSDRF1 (Seed Dormancy Related F-box Gene). Based on our works, we speculate that OsSDRF1 participates in amino acid, saccharide, phytohormone metabolism and signal transduction pathways during seed development, and thereby regulate the induction of seed dormancy. To verify this hypothesis, the following experiments will be conducted: (1) Using complementation, CRISPR, overexpression and mutation methods to verify the gene function of OsSDRF1; (2) Using real-time PCR and GUS staining to study the spatial and temporal expression of OsSDRF1 in seed mother tissues, embryo and endosperm, respectively. Its subcellular location will also be studied; (3) Using physiology, tissue-specific and time-dependent quantitative proteomics to investigate the physiological and molecular mechanisms of OsSDRF1 in regulation of seed dormancy during seed development; (4) Exploring the elite alleles of OsSDRF1 and measure its genetic effects in PHS resistance. Taken together, this study will dissect the mechanisms of developmental regulation of seed dormancy in rice, and the results will lay foundation for breeding rice PHS-resistance varieties by molecular design strategy.

休眠性是种子科学中的核心问题，适度的休眠可以克服水稻生产中的穗发芽问题，提高种子贮藏质量，但其遗传和分子机制尚不明确。OsSDRF1是本课题组克隆的一个自然突变的控制种子休眠性的F-box家族新基因。基于现有工作，我们推测OsSDRF1参与调控种子发育过程中的氨基酸、糖类、激素代谢和信号通路，从而控制休眠性的形成。为验证假设，本项目将开展以下研究：（1）利用互补、CRISPR敲除、过表达和突变体验证OsSDRF1的功能；（2）采用定量PCR和GUS染色，探究OsSDRF1在种子母体组织、胚和胚乳中的时空表达，并研究亚细胞定位；（3）利用生理学、组织特异性和时序蛋白组学，深入探讨OsSDRF1在休眠性发育调控中的生理和分子机制；（4）挖掘OsSDRF1优良等位基因并测定抗穗发芽效应。因此，本研究将解析水稻种子休眠性的发育调控机制，为抗穗发芽分子设计育种奠定基础。

农作物种子休眠性的缺乏导致了全球性的穗发芽问题，给农业生产造成重大挑战。穗发芽导致全球每年约10亿美元的损失，对我国杂交稻的产量和品质影响尤为严重，而通过增强种子休眠水平可以克服上述问题。OsSDRF1（Seed Dormancy Related F-box gene）是我们前期克隆的一个水稻自然突变的控制种子休眠性的F-box家族新基因。本项目整合正、反向遗传学，生理生化，分子生物学和生物信息学等多种方法，深入研究了OsSDRF1基因的功能和作用机制。通过CRISPR敲除、回补、过表达和T-DNA突变体等手段，在多个年份、多个季节验证了OsSDRF1 调控水稻种子休眠的生物学功能。综合多种基因表达分析结果，揭示了OsSDRF1 基因在成熟期的种子中丰富表达、且表达部位集中在种胚，并证明了OsSDRF1蛋白定位于细胞核中，暗示OsSDRF1 基因可能参与了种子发育过程中休眠特性的形成。植物激素检测发现种子休眠强度与种子中活性IAA的含量成正相关，强休眠材料中IAA的代谢物含量和代谢基因表达水平均明显低于弱休眠材料，因此OsSDRF1可能通过参与IAA代谢来调控种子休眠。此外，在发育成熟期的种子中也检测到多种差异的代谢物和氨基酸。利用Y2H技术筛选获得了97个OsSDRF1的互作蛋白，证明了OsSDRF1能够与SCF型E3泛素连接酶成员SKP1互作。利用水稻3K种质的测序信息，鉴定了13种不同的OsSDRF1基因单倍型。获得了多份具有穗发芽抗性的单片段材料，农艺性状调查表明OsSDRF1基因对株高、结实率、每穗粒数等有一定影响，但对单株产量无影响，具有较好的应用前景。综上所述，通过本项目的资助，我们顺利完成了计划书中的研究内容，揭示了水稻中F-box基因OsSDRF1在种子休眠性发育调控中的功能和分子机制，为培育穗发芽抗性品种和种子安全生产提供借鉴。