OsPLT2参与生长素途径调控水稻根系形态的分子机理研究

Root system is the primary organ in plant and plays a central role in plant growth and development through providing anchorage and taking up water and nutrients. The root system in rice which consists of crown roots and lateral roots is a complex trait and the molecular regulatory mechanism is not clear. In this project, we are ready to analyze the biology functions of OsPLT2, a root specifically expressing gene, in the process of the growth and development of root system using near isogenic lines and transgenic lines on the basis of of cytology, physiology, genetics and molecular biology.The results will be good for deeply understanding the molecular mechanism of the morphogenesis of the root system and supporting significant guidance for the genetic improvement of the root system in rice.

根系是植物的主要器官，为植物提供固着和支撑，帮助吸收水分和养分，在植物生长发育过程中的发挥重要作用。水稻的根系形成以冠根和侧根为主的须根系，形态结构复杂，其分子遗传基础尚不清晰。本项目拟利用近等基因系和转基因材料从细胞学、生理学、遗传学和分子生物学水平研究根系特异表达基因OsPLT2在水稻根系生长发育过程中的生物学功能，明确该基因参与的调控途径，解析其调控水稻根系形态的分子作用机理，研究结果将为深入理解水稻根系的形态建成及其分子调控基础提供新的见解，同时对指导水稻根系形态的遗传改良具有重要意义。

根系是影响作物水肥吸收和产量形成的重要因素。本项目克隆了调控水稻根系生长发育的重要因子OsPLT2，从遗传、生理、分子生物学水平探索了OsPLT2调控水稻根系形态的分子调控机理及其自然等位变异。OsPLT2编码一个AP2转录因子，在根系以及冠根形成的茎节组织中高表达。超表达、抑制表达以及突变体等试验结果表明，OsPLT2负向调控水稻根长和冠根数目，并且与其他PLT基因存在功能冗余。OsPLT2通过启动子区域的生长素响应元件与生长素反应因子ARF蛋白互作从而响应生长素信号；同时，OsPLT2蛋白可以与生长素合成基因OsYUCCA-X启动子直接结合，从而激活其表达；而上调OsYUCCA-X基因的表达会引起水稻根长变短、冠根数减少，表明OsPLT2通过激活生长素的合成从而抑制根系生长。互作分析显示OsPLT2与转录因子OsWOX3B蛋白互作，上调OsWOX3B表达也引起水稻根长变短，而抑制OsWOX3B的表达，引起水稻根长增加，表明OsPLT2与OsWOX3B形成可能形成复合体共同负调控水稻根系生长。田间试验表明，上调OsPLT2的表达会引起冠根数目减少、每穗粒数减少、单株产量降低，而同时抑制多个PLT基因的表达可以增加冠根数、每穗粒数和单株产量。在3K重测序种质中，OsPLT2分为籼、粳2种单倍型，2种单倍型之间存在大量序列变异，将来源于粳稻的OsPLT2等位基因导入到籼稻背景中可以显著增加冠根数目。这些结果表明，OsPLT2通过参与生长素途径调节根系中生长素的合成从而负调控水稻根系生长和产量形成。本研究结果将为深入理解水稻根系生长发育的分子遗传机制和遗传改良水稻根系形态提供理论基础。