GAD1基因调控水稻穗粒数、粒长以及芒发育的分子机理研究

Grain number, grain length and awn development are key agronomical traits affecting grain yield, rice storage and processing. Therefore, the transition of these characteristics has become a major target of rice domestication and improvement. In previous studies, we identified that an EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE (EPFL) peptide, encoded by GRAIN NUMBER, GRAIN LENGTH AND AWN DEVELOPMENT1 (GAD1), regulates grain number, grain length, and awn development. We found a frame-shift mutation destroyed the conserved region of the peptide, resulting in loss of function, and causing the increased number of grains per panicle, shorter grains and awnless. However, their regulatory mechanism still remains largely unknown. In this study, we aim to identify the receptor of GAD1 and experimentally validate its function. We also plan to explore the signaling pathways as well as its molecular mechanism to regulate agronomically important traits in rice, such as grain number, grain length and awn development. The results will not only help to elucidate the signaling pathways of EPFL family in rice but also provide new insights into the molecular mechanism to regulate grain number, grain length and awn development in rice, which is of fundamental importance to guide rice breeding programs in the future.

穗粒数、粒长和芒发育既是影响水稻产量、收获、贮藏和加工的重要农艺性状，也是水稻驯化和遗传改良的重要目标性状。申请人前期克隆了一个调控水稻穗粒数、粒长和芒发育的基因GRAIN NUMBER, GRAIN LENGTH AND AWN DEVELOPMENT1 (GAD1), 该基因编码一个EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE (EPFL)家族的多肽激素，其保守结构域的移码突变，使穗粒数增加、籽粒变短，芒的发育受阻，但其调控这些性状转变的分子机制仍不清楚。本项目拟在此基础上，筛选鉴定GAD1编码多肽激素的受体，并验证其功能。筛选下游调控基因，探索其参与调控的信号通路网络，解析其调控水稻重要农艺性状的分子机理。研究结果不仅有助于阐明EPFL家族多肽激素在水稻中的信号通路，还有助于揭示水稻穗粒数、粒长和芒发育遗传调控的分子机理，为水稻的分子设计育种提供重要参考。

植物小肽激素作为一种重要的信号分子，参与细胞与细胞间的交流。EPF/EPFL作为重要的植物多肽激素家族，在植物生长发育的多个生物进程中起调控的作用。GAD1基因是水稻中第一个被鉴定的EPF/EPFL家族成员，参与调控水稻穗粒数、粒长和芒的发育。本项目在此基础上，筛选和鉴定水稻中EPF/EPFL家族小肽基因的生物学功能，探索该家族基因参与调控水稻重要农艺性状的分子调控机制。本项目利用生物信息学、遗传学、转录组、生物化学等手段鉴定到了EPF/EPFL家族基因GAD1的候选受体（OsER），并构建载体验证其与受体蛋白之前的互作关系，利用转录组分析差异表达基因，探索该基因的调控机理。鉴定了水稻中所有EPF/EPFL家族成员，以具长芒aus稻材料Kasalath为受体材料，利用CRISPR/Cas9技术对EPF/EPFL家族基因进行基因编辑，首次系统性的鉴定了其在水稻中的生物学功能。研究结果表明该家族的一个新基因，OsEPFL2，参与调控水稻芒、粒长。与此同时，研究发现参与调控水稻芒发育的两个基因GAD1与OsEPFL2也同时参与调控种子的萌发，并在此基础上，进一步探索该家族成员基因（GAD1与OsEPFL2）同时调控芒的发育与种子萌发的分子调控机制，研究结果为揭示水稻演化，评估芒在禾本科作物中的潜在生物学和经济学意义奠定基础，同时有助于拓展我们对EPF/EPFL植物多肽激素信号调控网络的认识。