水稻种子谷蛋白含量基因GC7的功能及调控机制研究

Glutelin is the most abundant storage protein in rice grain. Rice glutelin has high nutritional value because it contains a relatively high content of essential amino acid lysine, and it is easy to be digested by human body. And rice varieties with low-glutelin are very suitable for the diet of patients with diabetes and kidney disease. However, there are few studies on the genetic basis and molecular mechanism of gluten in rice. We identified a transcription factor GC7, which controls glutelin content in rice, through genome-wide association study and map-based cloning. Preliminary studies showed that GC7 not only decreased the glutelin content, but also decreased the other three storage protein contents and total protein content. In order to explore the functional analysis of this gene, we will carry out the following work on this basis. (1) Explore the effects of GC7 on other qualities of rice, and study the spatial-temporal expression pattern of GC7 and the subcellular localization of its encoded protein. (2) Analyze downstream genes and target genes of GC7 in transcriptional regulation by RNA-seq and ChIP-seq, and analyze the molecular regulation network of GC7. (3) Re-sequence important haplotype materials of GC7 and develop functional markers. The result will reveal the function and molecular regulation mechanism of GC7 in the synthesis and accumulation of glutelin in rice, which will provide theoretical basis and genetic resources for genetic improvement of rice quality.

谷蛋白是稻米中含量最高的储藏蛋白，其赖氨酸含量较高且易被人体消化，营养价值高；而从功能性稻米角度来看，低谷蛋白稻米非常适合糖尿病和肾脏病患者食用。然而谷蛋白在水稻中的遗传基础和分子机制研究较少。申请人前期基于全基因组关联分析和遗传作图克隆到一个控制稻米谷蛋白含量的转录因子GC7。初步研究表明GC7不仅降低稻米中谷蛋白含量，同时也降低另外3种储藏蛋白和总蛋白含量。本项目拟在此基础上开展以下工作：（1）探索GC7对稻米其它品质的影响，研究GC7的时空表达模式和蛋白亚细胞定位情况；（2）利用RNA-seq和ChIP-seq寻找GC7在转录调控中的下游基因和靶基因，并解析GC7的分子调控网络；（3）对重要单倍型材料进行重测序并开发功能标记。研究结果将揭示GC7在稻米谷蛋白合成与积累中的功能及参与调控该过程的分子机制，为水稻品质的遗传改良提供理论依据和基因资源。

本研究基于一个从GWAS和图位克隆得到的，控制稻米谷蛋白含量的基因GC7的分子机制展开的。在项目实施过程中，通过实验验证发现基因GC7为已知克隆基因Ghd7，Ghd7为前人已报道的水稻每穗粒数、株高和抽穗期多效性控制基因，在多种环境信号下调节自身转录和蛋白水平从而发挥功能，参与水稻逆境响应，调控水稻种子发芽率等，但目前还未报道Ghd7控制稻米谷蛋白含量和稻米品质相关的研究。结合Ghd7是转录因子，能够降低谷蛋白含量和垩白率等品质性质，本研究通过RNA-seq和Chip-seq分析了Ghd7可能参与光合作用和氮代谢调控的生物学过程，并筛选到2个Ghd7结合的下游靶基因，结合Ghd7对稻米品质的影响，提出了Ghd7对水稻产量、品质乃至生长的影响实际上是碳氮代谢动态协调的结果。Ghd7可能通过调节水稻碳氮代谢的中心关键物质2-酮戊二酸的含量来增加水稻内源赤霉素的含量，从而促进水稻植株的生长。另一方面，抑制氮素同化可能导致籽粒蛋白质含量下降，从而谷蛋白含量也下降，而正常氮素条件下碳同化的增强则增加了稻米直链淀粉含量，改变了脂肪酸的含量。这些由Ghd7引起的碳氮代谢协调性的变化，降低谷蛋白和总蛋白含量，导致垩白度降低，直链淀粉含量和胶稠度增加等，适口性评分提高，从而显著改善了籽粒品质，这对于后续研究Ghd7在稻米品质分子调控过程中的作用提供了很好的研究基础。并且发现Ghd7单倍型Hap2在保证产量不受影响下，可以提高米饭的外观和蒸煮食味品质，意味着Hap2在育种上很可能具有极大的应用价值。同时对与Ghd7有关并且影响稻米品质基因flo19进行了初步的探讨。因此，Ghd7可能成为提高稻米品质和氮肥高效利用率水稻育种的一个选择靶标。