PLA3基因参与ABA调控水稻种子萌发的作用机制研究

ABA is playing an essential role in regulating seed germination. A lot of studies has showing that some functional genes and regulatory factors are involved in this regulation process. While PLASTOCHRON (PLA) is one of a gene work at rice leaf formation interval, and recent researches identified that PLA3 gene has a large embryonic phenotype. However, at present, there is no related report on how the PLA3 gene regulating in rice seed germination. In previous study, our group not only has found that endogenous ABA content is lower in the pla3 mutant seed compared with the wild type, and the mutant is easier to germinate and insensitive to exogenous ABA treatment. But also, we have already indicated that ABA could effectively induce the expression of PLA3 gene in the embryo combined with the real time PCR, Ribo-Seq respectively from transcription and translation levels, which suggested that PLA3 plays a certain role in regulating seed germination in rice. So, in this proposal, we are planning to elucidate the mechanism of PLA3 gene in ABA mediated rice seed germination by functional verification of how PLA3 gene affecting the seed germination and finding the influence of PLA3 on ABA metabolic pathway. The results of this study are expected to provide a certain theoretical basis and germplasm resource to rice cultivation and effective regulation in the “pre-harvest sprouting”.

ABA对种子萌发起重要调控作用，在拟南芥中已分离、鉴定了一些参与ABA调控种子萌发的功能基因或调控因子，但水稻中相关研究报道较少。水稻PLASTOCHRON（PLA）基因调控叶原基发育，但其在种子萌发中生物学功能未知。本课题组前期发现：pla3突变体较野生型易萌发，其内源ABA含量低于野生型；pla3突变体对外源ABA不敏感，其互补转基因株系对ABA敏感；分别从转录水平和翻译水平均证实ABA能诱导PLA3基因在种胚内表达。上述结果提示PLA3在ABA调控种子萌发过程中具有一定作用。本项目拟通过PLA3基因影响种子萌发性状的功能验证、PLA3对ABA代谢通路影响、PLA3对下游基因表达的调控模式及互作蛋白鉴定等方面研究，阐明PLA3基因参与ABA调控种子萌发的作用分子机制。本研究成果有望为水稻栽培和制种中“穗发芽”有效调效调控提供一定理论依据和种质材料。

项目背景：种子萌发是植物个体发育中最关键的时期，其成功与否对植物后代繁衍和生存起着决定性作用。PLA （Plastochron）是水稻叶原基形成间隔期基因，调节叶片的起始发育和成熟，但其突变体pla3还具有大种胚、易萌发等表型，推测其与种子萌发相关。.主要研究内容：本课题组根据pla3突变体背景，采用CRISPR/Cas9技术获得日本晴背景的水稻PLA3基因敲除的突变体材料（pla3-C）；从种子萌发启动时间、萌发速率等方面分析了PLA3基因对水稻种子萌发过程的影响；通过水稻种子萌发过程中ABA含量差异比较、ABA处理对PLA3基因表达影响、pla3 突变体转录组测序结合ABA代谢和信号途径相关基因的分析；利用转录组测序结果，开展了PLA3基因与GAs之间相互关系的研究，同时通过定量蛋白质组学分析了PLA3在种子萌发过程的作用，并开展了翻译组学相关研究。.重要结果： PLA3基因在参与ABA抑制种子萌发过程发挥着作用，不仅能通过抑制ABA代谢过程正调控ABA含量，而且通过正调控ABA信号途径影响ABA信号转导，初步阐明PLA3在ABA调控种子萌发过程中的机制。.关键数据及其科学意义：本项目建立的Ribo-Seq体系是结合多聚核糖体保护的mRNA分离技术和mRNA高通量深度测序技术而形成的一种翻译组学研究新方法，该方法可在全基因组水平和单碱基分辨率下，对mRNA中受到翻译调控的具体位置和调控方式进行分析与测定，可广泛应用于其他植物生理过程机制的研究。同时，课题组发现PLA3基因主要是在水稻穗发芽过程中发挥重要作用，本项目获得的相关数据及研究结果有利于今后水稻穗发芽发生机制的研究。