水稻转录因子OsHRT1参与高温下胚乳储藏物质积累的机理研究

Starch and Storage proteins accumulate to high level during the development of rice endosperm. The content and structure of the storage materials directly affect the yield and quality of rice. High temperature during the grain-filling stage causes deleterious effects on quality of crop products. Recent results suggest that some of the key enzymes in starch or storage protein synthesis in response to high temperature are regulated at transcriptional level. But it is still unclear how high temperature affects storage materials accumulation. Previously via RNA-seq we identified several endosperm-specific transcription factors responsive to high temperature during the grain-filling stage. Mutation in one of them, OsHRT1, caused high sensitivity to elevated temperature. If exposed to high temperature during the filling stage, oshrt1 mutants display great filling problem with significantly reduced storage materials accumulation. Here we are going to take genetic, molecular biological and biochemical approaches to discover functional partners of OsHRT1 and elucidate the molecular mechanism of how high temperature affecting storage material accumulation and grain quality during the grain-filling stage in rice. This research will help us to breed high quality and high temperature-tolerant rice varieties.

水稻的胚乳在种子发育过程中积累大量的淀粉和储藏蛋白等储藏物质。储藏物质的积累的好坏程度直接影响着水稻的产量和品质。灌浆结实期的高温会造成稻米品质的下降。近年来的研究表明淀粉等储藏物质合成的关键酶基因对高温的响应可能表现为转录水平的调控，但对于高温如何影响储藏物质积累进而影响品质的分子机理仍不清楚。本项目利用RNA-seq技术分离了一些灌浆结实期高温响应的胚乳特异性转录因子。其中一个转录因子突变体oshrt1对高温敏感，灌浆期高温处理造成oshrt1突变体种子灌浆严重不足，胚乳中的储藏物质积累明显减少。我们将利用遗传学，分子生物学及生物化学等方法寻找该转录因子参与调控的上下游基因，探讨灌浆结实期高温影响稻米中储藏物质积累的分子机理。研究结果将有助于阐明高温影响稻米品质的分子机制。

灌浆期高温会影响胚乳发育过程中淀粉和贮藏蛋白等储藏物质的积累，导致成熟后稻米的重量减少、垩白增多、储藏物质积累明显减少，导致产量下降，食用口味变差。目前对水稻胚乳中储藏物质积累的调控机制研究已取得一些进展，但对高温调控胚乳储藏物质合成的分子机制还缺乏了解。.本项目研究用反向遗传学的方法对响应高温胁迫的胚乳特异性表达的转录因子OsHRT1进行生物功能分析。并利用遗传学，分子生物学及生物化学等方法寻找该转录因子参与调控的上下游基因，初步阐明该基因参与的高温对胚乳储藏物质积累的调控机制。.通过利用RNA-seq技术检测高温处理灌浆期未成熟胚乳的转录组和表达谱，我们找到一些响应高温胁迫转录因子，OsHRT1基因其中之一，hrt1突变体对高温敏感，灌浆期高温处理造成hrt1突变体种子灌浆严重不足，淀粉、粗脂肪和蛋白等储藏物质积累明显减少，储藏蛋白中酸性谷蛋白、碱性谷蛋白、白蛋白以及醇溶蛋白均明显减少。OsHRT1互补材料纯合株系能互补hrt1突变体对高温敏感表型。通过hrt1突变体和野生型中储藏物质积累相关基因表达的动态分析，OsHRT1基因可能直接参与PROL14、RM1、GLUA和GLUD在高温下的正调控储藏蛋白合成，而OsHRT1基因通过正调控淀粉合成基因以及负调控α-淀粉酶基因Amy1A、Amy1C、Amy3A和Amy3E的表达来影响淀粉的积累。另外高温处理后，OsHRT1基因会出现可变剪切，并且可变剪切表达模式在不同的水稻品种中OsHRT1基因剪切模式有所不同。在温度敏感的粳稻品种中截断蛋白的OsHRT1可变剪切体变化较多，而在温度钝感籼稻品种9311中截断蛋白的OsHRT1可变剪切体变化较少。因此OsHRT1可能是高温下储藏物质积累调控的重要基因。