PPR78参与玉米籽粒发育和线粒体RNA稳定的分子机理研究

Maize is an important crop and a model plant. At present, the molecular mechanisms underlying maize seed development and plant mitochondrial RNA stability are still obscure. Recent studies show PPR proteins may take part in plant seed development via its functions in mitochondrial RNA stability. To further unravel the mechanisms in maize seed development and mitochondrial RNA stability, the functional studies on a subset of maize PPR genes were carried out using reverse genetic approach. The preliminary data show that maize PPR78 encodes a PPR protein localized in mitochondria; ppr78 mutation cause the reduction in nad5 mRNA accumulation; PPR78 may take part in nad5 RNA stability; ppr78-1 is a null mutation, tightly linked with small kernel phenotype in maize. In this project, the study on PPR78 will be carried out in the following five aspects: (1) confirm the role of PPR78 in maize seed development by transformation; (2) confirm the role of PPR78 in nad5 RNA stability by RNA hybridization, circular RT-PCR and primer extension analysis; (3) find PPR78binding site on nad5 RNA by gel mobility shift assay; (4) phenotypically characterize ppr78-1 mutant in maize seed development by light microscopy, RNA in situ hybridization and immunohistology; (5) analyze the effect of ppr78 mutation on mitochondria function by assaying the content of NADH and ATP, and the respiratory rate. The outcome of this study will further unravel the mechanisms regulating maize seed development and mitochondrial RNA stability, and be of potential value in molecular breeding and increasing crop yield.

玉米既是重要农作物，又是模式植物。目前，玉米籽粒发育和植物线粒体RNA稳定机理尚未完全清楚。有报道表明，PPR基因可能通过负责线粒体RNA稳定，参与植物籽粒发育。因此，我们采用反向遗传学方法研究玉米PPR基因。前期结果表明，PPR78编码一个定位于线粒体的PPR蛋白；ppr78突变可能通过引起线粒体nad5 RNA稳定性降低，导致其累积量减少；ppr78突变与胚胎致死小籽粒表型紧密连锁。本项目在此基础上，拟通过转基因互补、组织切片、RNA杂交、环式RT-PCR、引物延伸、凝胶阻滞迁移、NADH含量和呼吸速率测定等方法，一方面证明ppr78突变是导致小籽粒表型和nad5 RNA稳定性降低的原因，另一方面揭示PPR78参与玉米籽粒发育和线粒体nad5 RNA稳定的分子机理。本项目研究成果对进一步揭示玉米籽粒发育和线粒体RNA稳定的分子机理具有理论意义，对指导分子育种和增加作物产量具有潜在价值。

玉米既是重要农作物，又是模式植物。籽粒发育过程直接影响粮食作物的产量，解析籽粒发育的分子遗传调控机制，既是植物分子遗传学的一个根本问题，也是农业生产高产育种的重要基础。籽粒发育涉及多个复杂的遗传调控网络，包括线粒体基因表达。植物线粒体体基因表达调控主要发生在转录后过程，包括RNA编辑，内含子剪接，RNA末端成熟和稳定。相对于RNA编辑和内含子剪接，RNA末端成熟机理的研究比较少，机理尚未完全清楚。本项目所研究的PPR78蛋白通过影响线粒体nad5 mRNA稳定，参与玉米籽粒发育。.此项目按照计划书开展，主要研究内容包括：（1）采用石蜡切片和免疫组织学等方法，发现ppr78突变阻碍玉米胚胎和胚乳发育，并通过等位性检测，证明ppr78突变是导致玉米小籽粒表型的原因；（2）证明PPR78参与玉米线粒体nad5全长mRNA稳定；（3）揭示ppr78突变通过降低线粒体nad5 mRNA稳定性，阻断线粒体电子传递链，进而阻碍玉米籽粒发育；（4）建立以环式RT-PCR为基础的玉米线粒体RNA末端序列分析体系，并系统分析了玉米线粒体前体和成熟RNA末端序列。.取得的重要结果包括：（1）揭示出PPR78通过影响线粒体nad5全长mRNA稳定和电子传递链复合物I形成，参与玉米籽粒发育；（2）通过分析玉米线粒体前体和成熟RNA末端序列，揭示出转录起始在玉米线粒体RNA 5’末端形成过程中发挥主要作用，而不是人们之前推测的转录后加工过程。.在此项目资助下，主持人以第一作者或者第一作者兼共同通讯作者身份发表SCI论文3篇，其中生物一区和二区文章各1篇，累积影响因子15.911；协助培养研究生3名。.理论方面，此项目的研究成果进一步揭示了玉米籽粒发育和线粒体RNA稳定的分子机理；应用方面，ppr78突变体籽粒在成熟时期较野生型重量减少40%左右，我们正在通过转基因手段过量表达PPR78基因，希望可以增加玉米产量。