OsPRN3介导的活性氧调控在水稻抗旱途径中的分子作用机制研究

Drought stress leads to excessive production of reactive oxygen species (ROS) causing oxidative stress. ROS as chemically active molecules often damages plant cell, and dramatically decreases stress tolerance in plants. In this study, we screened the rice RNAi mutant library and obtained a mutant with decreased ROS level. This mutant can obviously increase rice drought tolerance. A novel protein were identified from the mutant and named as OsPRN3 that can degrade quercetin. Quercetin is a small antioxidant molecule. Furthermore, OsPRN3 can interact with MAPK4 protein that is involved in drought stress pathway. How OsPRN3 increases rice drought tolerance through regulating ROS level by quercetin is unclear. Based on these results, we will focus our eyes on the ROS level regulation, ROS signal transduction and drought tolerance pathway that mediated by OsPRN3, illustrating its molecular mechanism and pathway. These results not only contribute to stress tolerance pathway and provide new rice lines with drought tolerance, but also is helpful for breeding of quercetin-rich rice to improve rice nutrition.

干旱条件下，植物体内会产生大量的活性氧，形成氧化逆境。活性氧在生物体内非常活泼，往往对植物细胞造成不可避免的伤害，显著降低植物对干旱的耐受能力。本研究通过对构建的水稻RNAi突变体库进行筛选获得一个活性氧含量显著降低的突变体，该突变能够显著提高水稻抗旱能力，鉴定表明该基因编码一个具有槲皮素（具有较强抗氧化能力的类黄酮化合物）降解功能的新蛋白（命名为OsPRN3），进一步研究表明OsPRN3能够与抗逆信号途径上的MAPK4蛋白互作，但是OsPRN3如何通过槲皮素调控植物体内的活性氧含量进而提高水稻的抗旱能力尚不清楚。在上述研究基础上本申请将进一步深入探究OsPRN3如何参与ROS水平调控、ROS信号传导和水稻抗旱过程，阐明其调控机制和作用途径，为作物抗旱性的提高提供新的材料和思路，本研究也可为富含槲皮素水稻的培育奠定基础，提高水稻的营养价值。

活性氧（ROS）在植物生物学中起着双重作用：它们是许多重要信号反应所必需的，但也是有氧代谢的有毒副产物，生物体为维持正常生命活动，在细胞中维持一定活性氧水平和氧化还原状态平衡。但植物中细胞如何直接感受ROS信号，ROS信号被感受以后如何向下游传导以及如何维持细胞内ROS的均衡等关键问题仍未得到阐明。本研究表明水稻OsRRN3是一种非血红素铁结合蛋白，对亚铁离子（Fe2+）和铁离子（Fe3+）具有不同的结合能力。OsRRN3定位于线粒体，OsRRN3-Fe2+可与丝裂原活化蛋白激酶14（OsMPK14）相互作用，但OsRRN3-Fe3+不起作用。此外，用还原性化合物谷胱甘肽（GSH）处理水稻根系，增加了线粒体中OsRRN3和OsMPK14之间的相互作用，而用氧化剂H2O2处理则减弱了它们之间的相互作用，且OsPRN3基因敲除突变体在干旱及盐胁迫下的存活率高于野生型植株，推测OsPRN3可能通过调控ROS水平参与水稻响应干旱与盐胁迫。