通气组织形成基因OsLSD2提高水稻氮素利用效率的分子机制

研究发现，水稻根系通气组织发达程度可能与氮素利用效率具有一定的内在联系。水稻可以通过控制根系的泌氧量来调节根际铵氧化菌的数量和活力，从而影响了根际铵态氮向硝态氮的转化，进一步影响了水稻对硝酸盐的吸收与氮素利用效率；过量表达了水稻通气组织相关基因，发现在武运粳7号中超表达OsLSD2 基因可以显著提高的生物量，籽粒产量和氮素利用效率。本课题通过分析该基因的时空表达，亚细胞定位来研究OsLSD2在不同氮素处理下表达特征；通过其RNAi突变体和过量表达材料与其调控的下游基因的过量表达材料（或者突变体）的组合来研究该基因在通气组织形成过程中的作用；通过比较其在日本晴和武运粳7号水稻过量表达后的表型和基因表达差异来研究OsLSD2在不同遗传背景水稻中参与氮素利用的生物学途径，从而揭示OsLSD2提高水稻氮素利用的分子机制。

现有水稻通气组织的形成发育与其生长及氮素吸收之间的研究大多在生理分析层面，其分子调控机制研究还未见报道。本项目所获得的主要研究结果如下：.1.选择通气组织形成发育程度和氮素利用效率差异较大的水稻品种扬稻6号和农垦57研究根系通气对水稻生长和氮素吸收利用的影响，发现外源通气均可以显著抑制两个水稻品种幼苗不定根中通气组织的形成发育，显著增加水稻不定根数和根系总氮积累。不定根的增加使水稻总根长和根系总表面积显著增加以及通气后根系中氮素吸收利用相关基因的显著上调是水稻总氮积累增加的原因。根系通气对通气组织不发达的水稻品种农垦57（NK5）的氮素吸收利用基因表达和总氮积累影响更显著，说明通气组织的发育状况可以影响水稻对氮素吸收利用。.2.通气组织形成相关基因OsLSD1.1对不同供氮处理响应表达模式在两个水稻品种中差异最大，且通气处理对OsLSD1.1在不同供氮条件下的表达模式影响也最大。OsLSD1.1主要在水稻倒一、倒二叶和叶鞘加茎干中表达较强，根系中表达较弱，且在根系中表达从根尖到根基部逐渐增强。OsLSD1.1在水稻倒二叶中的表达受供氮条件、光照时间、缺素和盐胁迫等环境因素影响显著，在缺素和盐胁迫等环境胁迫条件下表达显著上调。.3.通过对OsLSD1.1突变体和过量表达材料及RNAi沉默材料的研究发现，在正常充分供氮条件下，OsLSD1.1的表达改变对日本晴和武育粳7号的生长影响不同，在日本晴中过量表达和沉默OsLSD1.1后水稻的基本农学性状未发生显著改变，但叶鞘和叶片中叶绿素含量显著改变，地上部及种子中总氮浓度也发生改变。在武运粳7号中过量表达OsLSD1.1，水稻株高显著提高，叶片和叶鞘中的含水量显著下降,生物量显著增加；根系通气组织形成显著提高，氧化还原相关基因表达显著上调；叶鞘中的叶绿素含量显著提高，总氮积累也显著提高,光合作用途径上的相关基因表达也显著上调；铁元素含量显著降低、锌钙镁等含量提高，金属离子结合相关基因表达也显著改变。在光照时间变短、长期供应硝态氮和聚乙二醇(PEG）模拟水稻胁迫等不利于水稻生长的条件下，以上差异会更加显著。