一个花时调控基因EMF1的鉴定和功能分析

The flower opening time of male sterile line is an important trait in hybrid seed production, and the early morning flowering (EMF) trait is helpful for outcrossing and better seed setting. Besides, EMF is also helpful to escape heat-induced sterility in rice spikelet during anthesis. In previous study, we characterized a rice mutant emf1 in which the phenotype is coinciding with wild type except flowering time around 1.5h earlier. The emf1 mutant shows enhanced jasmonic acid (JA) in leaf and high inclusions in lodicule. In this proposal, first, we will detect the dynamic change of JA in panicle and the microstructural change of lodicule between emf1 and wild type(WT). We will also analyze the soluble components in lodicule and their response to the inducers and inhibitors and will detect activity of related enzymes. Second, by using further improved genetic complementation, subcellular localization and transcriptome analysis, we will analyze the interaction model between EMF1 and certain genes tightly related to JA pathway and sugar transporters, and the molecular mechanism of regulating flowering time. Third, to evaluate the ability of regulating flowering time among emf1 and other allelic genes, and to provide favorable genetic resources for rice breeding.

水稻花时提早可显著改善不育系的开花习性，提高杂交稻制种产量；花时提早还可规避高温胁迫导致的水稻不实减产。我们获得了一份早花时突变体emf1，除了花时提早1.5h左右外，其余农艺性状同野生型一致。研究发现突变体emf1在颖花茉莉酸含量、浆片可溶性糖含量等方面较野生型显著提高。本项目将从以下几方面入手进行研究：一是突变体emf1和野生型开花前后颖花茉莉酸动态变化；浆片开花前后的动态显微观察；浆片内含物成分和浓度的动态检测；相关诱导剂和抑制剂处理后相对敏感的酶活检测。二是通过完善emf1的功能互补分析、其编码蛋白的亚细胞定位、表达谱分析，研究与导致茉莉酸和可溶性糖含量升高的关键基因之间的互作模式，调控花时的分子机制。三是挖掘EMF1有利等位基因，评价其在育种实践中的价值，为水稻育种提供有利基因资源。

水稻是我国重要的粮食作物，杂交水稻在促进粮食增产中发挥了重要的作用。多年来，杂交水稻的制种成本一直居高不下，其中制种产量不高是一个重要的原因。研究表明限制杂交水稻制种产量的主要因素是不育系异交结实率低，而不育系的开花习性是影响异交结实率的决定因素之一。水稻花时提早可显著改善不育系的开花习性，提高杂交稻制种产量；花时提早还可规避高温胁迫导致的水稻不实减产。我们获得的一份早花时突变体emf1，除了花时提早1.5h左右外，其余农艺性状同野生型一致。我们利用基因定位与MutMap联合分析定位到一个编码未知蛋白的候选基因，命名为emf1，通过基因敲除和互补验证证实该基因即是我们的目标基因。转录组测序与生物信息学联合分析，表明该类未知蛋白在调控果胶酯酶活力途径上具有重要的生物学功能。我们通过对突变体emf1和野生型间浆片细胞壁的生理生化指标测定、组织细胞学观察比较，发现突变体emf1的浆片果胶甲基酯酶含量显著低于野生型，并且浆片表皮细胞间层“填充物”（去酯化果胶-纤维-伸缩蛋白等多聚物）较少，无野生型般“充实”，导致突变体emf1浆片细胞壁因组分改变，结构变得松弛，吸水膨胀速率较快，从而促进开颖。EMF1基因的单倍型分析表明该基因在水稻不同亚种中存在明显分化，同时可将该基因分为8中单倍型，其中Hap8类单倍型在热带粳稻中呈现强烈的自然或认为选择。同时，emf1基因型在杂交稻制种中初步显示了较好的增产潜力。因此，emf1基因的克隆及有利等位基因的利用，对于深入研究花时调控机理，对保障水稻安全生产和促进杂交水稻产业发展都具有重要的理论意义和应用价值。