水稻穗顶部退化基因PAA2的功能解析

As one kind of pre-flowering abortion of florets, panicle apical abortion (PAA) which is frequently found in rice production, especially on the growth conditions suffering from unfavorable climate, will caused unpredictable yield loss. Due to QTLs/genes underlying the PAA phenotype are minor-effect and its appearance is susceptible to environmental conditions, up to now, no PAA-related gene has been documented. In previous study, our project team has successful completed the cloning and functional study of the PAA1, a gene related to the apical abortion of rice panicle. Subsequently, we also found that the nitrate transporter PAA2 is another causative factor for rice panicle apical abortion. It is the rice homologous gene of the Arabidopsis nitrate nitrogen transporter encoding gene NRT1.5 and NRT1.8. The field experiment results showd that, compared with the wild type, the nitrogen content in the ear of the mutant was lower than that in the wild type at the full heading stage. Under the condition of supplementing nitrogen fertilizer, the nitrogen content of the mutant ear was lower, indicates that the rice panicle top nitrogen nutrition supply are the main factors leading to the degradation of paa2. We are planning to further study the function of PAA2 gene, revealing the role of the gene in the nitrogen metabolism pathway of plants, the influence of different nitrogen forms on the development of Rice Panicle and the rule of nitrogen requirement for rice grain formation.

水稻品种因顶端小穗退化降低了品种的增产潜力，也影响了品种大面积推广时的稳产性。由于穗顶部退化受效应较小的多QTL/基因控制，表型不稳定，迄今尚无相关基因被克隆的报道。我们项目组在完成了穗顶部退化基因PAA1的克隆和功能研究后，又发现一个编码硝态氮转运蛋白的基因PAA2也是影响穗顶部退化的关键基因，它是拟南芥硝态氮转运蛋白编码基因NRT1.5和NRT1.8在水稻上的同源基因。大田氮素实验结果表明：在齐穗期，和野生型相比，突变体的穗部氮素含量偏低，在补充氮肥的情况下，突变体穗子的氮素含量更低，预示着水稻穗顶部氮素营养供应不足是导致paa2退化的主要因素。我们拟通过对PAA2基因进行深入的功能研究，揭示该基因在植物体内氮素代谢途径中的作用，不同的氮素形态对水稻穗发育的影响，以及影响穗粒数形成的水稻需氮规律。

水稻品种因顶端小穗退化降低了品种的增产潜力，也影响了品种大面积推广时的稳产性。我们项目组从一个显性的穗顶部退化突变体paa2开始，利用图位克隆的方法，发现一个编码硝态氮转运蛋白的基因PAA2是影响穗顶部退化的关键基因，它也是拟南芥硝态氮转运蛋白编码基因NRT1.5 和NRT1.8在水稻上的同源基因。我们在本项目的支持下，按照计划书的内容实施了项目，为了进一步验证PAA2就是目的基因，并且会产生与突变体一致的表型，我们在不同的品种中分别过表达了PAA2基因，均得到了穗顶部退化的表型。随着研究的深入，我们发现了这个突变体绝大部分单株均为杂合。纯合突变体发育差，结实率低，种子瘪小，发芽率差，生长期伴有拟病斑的现象。针对这种表型，我们检测了种子发育时期的籽粒金属离子的浓度，发现Ca，Mn，Zn等金属离子浓度在穗顶部大量积累，这种积累的原因和穗顶部退化的关系还有待深入研究。同时，我们通过筛选酵母文库的方法。获得了两个功能迥异的互作蛋白VAMP727和E2-32，它们对PAA2行使功能的作用是什么，它们在穗顶部退化上的作用是什么还有待研究。通过筛库，我们获得了PAA2与CNGC成员间互作的初步证据，通过亚细胞定位分析，我们也获得了PAA2蛋白在细胞膜、PVC、胞间连丝等胞内物质运输有关细胞器的定位证据。这些零散的证据还没有构成一个完整的证据链，尚需要进一步的研究和经费支持。