转录因子OsERL1在水稻叶片形态发育中的分子调控机制研究

As a principle organ in rice, leaf is involved in the function of photosynthesis. Leaf size is a major determinant of plant architecture and strongly affects yield performance. To date, more than 20 genes involved in leaf morphological development have been identified and characterized, but functional research on leaf development are not in-depth studied, compare with that in Arabidopsis thaliana, especially in the regulation mechanism of transcription factors on leaf polarity development. In a previous study, a semi-dominant extreme rolled leaf mutant erl1 was obtained from EMS-induced mutagenesis of japonica rice Nipponbare and identified. Map-based cloning indicated that semi-dominant leaf rolling transcription factor OsERL1 encodes a member of class III HD-ZIP gene family. Molecular mechanism and regulatory pathway on leaf polarity development were carried out by the use of technology of genetics, morphology and molecular biology, and integrated with the analysis result of CHIP-seq and RNA-seq. CRISPR/Cas9 gene knockout technology was used to verify the regulatory target sites of OsERL1 and the genetic interactions among genes involved in pathways. It is of great material foundation and theoretical guidance to further explore the regulatory network of rice leaf morphogenesis for molecular design breeding of super rice.

叶片是水稻进行光合作用主要场所，是株型的重要组成部分，与产量密切相关。目前，在水稻中虽已克隆了20多个叶形发育相关基因，但相比拟南芥，研究还不够深入，尤其是转录因子对水稻叶片极性发育中的调控机制方面研究还鲜有报道。本研究在通过EMS诱变粳稻日本晴，分离获得半显性极卷叶突变体erl1基础上，利用图位克隆获得属于HD-ZIP III基因家族的半显性水稻叶片卷曲度调控转录因子OsERL1；借助遗传学、形态学和分子生物学技术，综合CHIP-seq与RNA-seq分析结果，并通过CRISPR/Cas9进行OsERL1调控靶位点和上下游相关互作基因的遗传功能验证， 解析OsERL1在水稻叶极性发育中分子机制及其调控网络；结合杂交水稻株型育种，探讨半显性叶形调控基因OsERL1育种价值，为超级稻分子设计育种奠定坚实的材料基础并提供理论指导。

叶片是植物光合作用的主要器官，理想的叶片形态有利于提高产量。水稻产量与株型密切相关，两次绿色革命和水稻超级稻育种都是株型不断完善的结果。因此，挖掘水稻理想叶形种质对水稻生产具重要意义。. 本项目在通过EMS诱变粳稻日本晴，分离获得半显性极卷叶突变体erl1基础上，利用图位克隆获得属于HD-ZIP III基因家族的半显性水稻叶片卷曲度调控转录因子OsERL1。借助遗传学、形态学和CRISPR/Cas9基因编辑技术，发现ERL1基因内miRNA的识别位点序列的突变，导致miRNA165不能正常切割，致使ERL1过量表达，从而使近轴面维管束间的泡状细胞变小、数目下降，远轴面厚壁细胞消失；此外，维管束发育紊乱，维管束近轴面的薄壁细胞变大、数目增加等等，导致突变体叶片向近轴面卷曲。通过对上下游基因互作分析，发现OsERL1在水稻叶形发育调控网络中起到重要的核心作用。BiFC和pull-down实验结果表明， OsERL1与KANADI 基因家族叶形调控转录因子SLL1在细胞核和细胞质中存在直接互作，联合调节体内IAA水平，影响植株叶片形态；酵母单杂交和荧光素酶活性测定表明，OsERL1同时与OsAGO1a和OsASR1的启动子区域结合，影响OsAGO1a和OsASR1的表达，但生理功能不同。转录因子OsERL1通过抑制OsAGO1a的表达，调控水稻叶片形态发育；而OsERL1与OsASR1互作则是通过调控ABA响应外界环境的胁迫。另外，我们围绕OsERL1的互作基因OsSLL1开展育种亲本改良，利用单碱基替换使恢复系蜀恢527叶片中增加泡状细胞数目，使野生型平展叶片改变成半卷直立状态。叶片在相同光照情况下，可以增加受光面积；同时，半卷直立的叶片形态有利于在杂交制种过程中，提高恢复系散粉率，增加制种产量。. 通过本项目的实施，克隆叶形基因2个；获得基因专利2项，专利权转让1项。在Plant Cell Physiol、Int. J. Mol. Sci.和Plant Physiol. Biochem.等刊物上发表相关研究SCI论文6篇，累计影响因子20分以上。另外，目前处于投稿阶段论文1篇；培养出站博士后1名、硕士研究生2名。本项目的研究结果为水稻理想株型及超级稻分子设计育种奠定理论基础和材料基础。