根系构型基因DRO1与生长素互作调控元阳梯田水稻根发育的机制

Root architecture is tightly connected with plant development, and auxin can efficiently regulate root architecture. However, mechanism of interaction of auxin and one of root architecture-related gene DRO1 in regulating rice root architecture is still unclear. Our previous study shows that rice lines derived from Yuanyang Hani’s Terraces of Yunnan province, China, develop massive root system. Rice Acuce, one of rice lines of Yuanyang Hani’s Terraces, is deep-rooting phenotype, auxin negatively regulates the expression level of DRO1, the DRO1 promoter of rice Acuce contains transposon Tourist and auxin response element, DRO1 knock out rice mutant is sterile, shallow-rooting phenotype and reduction of auxin IAA content. It implies that interaction of auxin and DRO1 plays an important role in formation of rice root architecture. To reveal the role of interaction of auxin and DRO1 in rice root development, different rice lines of Yuanyang Hani’s Terraces will be analyzed in morphogenesis, transcriptomics and protein interaction by molecular biology and cellular biology methods. We want to intensively research the effect of interaction of auxin and DRO1 gene in regulating rice root architecture of Yuanyang Hani’s Terraces, unravel the role of auxin transportation, biosynthesis, signal transduction and root architecture-related genes in the formation of root architecture, reveal the molecular mechanism of rice root architecture in promoting rice development, and provide new strategy in rice breeding for high yield and resistant varieties.

根系构型与植物发育紧密有关，生长素能有效调控植物根系构型。但是，生长素与水稻根系构型基因DRO1相互作用调控水稻根系构型的机制尚不清楚。我们在前期工作中发现：元阳梯田水稻根系发达，其中的月亮谷水稻根系为深根型，生长素负调控月亮谷水稻中DRO1基因的表达，在DRO1启动子中含有转座子Tourist及生长素响应元件，敲除DRO1基因导致水稻不育、根系构型成为浅根型、生长素等激素含量降低，预示生长素与DRO1基因的互作在水稻根系构型形成中担当了重要角色。本课题拟对这一重要科学问题进行深入研究，选用元阳梯田的水稻，经形态学、转录组学及蛋白互作等分子与细胞生物学方面的分析，深入研究生长素与DRO1基因互作对元阳梯田水稻根系构型的影响，明确生长素运输、合成、信号转导及根系构型相关基因调控水稻根系构型的作用机理，探明水稻根系构型促进水稻发育的分子机制，为水稻高产、抗逆新品种的选育提供新的策略。

根系构型（RSA）与植物发育紧密有关，可转座元件广泛存在于整个植物基因组中，生长素能有效调控植物根系构型。但是，水稻根系构型的调控机制尚不清楚。在该项目中，对元阳梯田水稻根系构型多样性与生态环境适应性、DRO1基因表达与生长素运输、DRO1基因与生长素相关蛋白的相互作用、转座子在DRO1基因中的功能进行深入研究。我们发现转座子INDITTO2作为一个自主的生长素响应启动子，在特定基因组位置传递了与避旱有关的生理适应性。水稻品种的根尖具有较高的和由生长素介导的DRO1在转录水平时，水稻显示出较深和较长的根表型以适应干旱。INDITTO2含有一个生长素响应元件，并显示出可响应生长素的启动子活性。在抗旱性受DRO1介导的水稻Acuce中，INDITTO2被插入到DRO1基因座的启动子区域。利用转基因技术，将INDITTO2插入非抗旱水稻Nipponbare的DRO1启动子中，可以促进它的避旱性。这些结果显示INDITTO2可作为启动子并将激素调节的信号传递给附近的基因座，从而提高植物对不同非生物胁迫的适应性。此外，元阳哈尼梯田中的38个水稻品种所具有的不同RSA可分为六组。大多数水稻品种的RSA与分蘖数呈正相关。当水稻在灌溉和干旱条件下生长时，IGT家族的基因DRO1、LAZY1、TAC1和qSOR1具有不同的表达模式。DRO1基因在第3外显子序列中有两个单核苷酸多态性（SNPs），在38个水稻品种的根和分蘖中具有不同的表达模式。过表达第5个外显子缺失的DRO1时，水稻根长缩短、侧根减少，LAZY1、TAC1和qSOR1的水平降低。蛋白质互作网络、microRNA靶标和共表达分析表明DRO1的功能与生长素运输相关，从而在根和分蘖发育中起着关键作用。这些数据表明，在水稻适应不同环境条件的过程中，RSA和分蘖的发育受到IGT家族基因复杂的网络调节，这与水稻的遗传背景密切相关。