水稻泛素化连接酶基因OsDRUP1的遗传多样性和抗旱分子机理解析

Drought stress is one of the primary abiotic stresses that limit rice production. Identification and cloning drought tolerant genes and characterization of molecular mechanisms is very important for new rice drought tolerant verities breeding. We have identified a drought induced U-box E3 ligase gene, OsDRUP1, based on genome-wide expression results. The expression of OsDRUP1 was up-regulated by drought stress, and positively regulated drought response in rice. Phylogenetic analysis indicates that OsDRUP1 belongs to VII subgroup (TPR+U-box) of E3 U-box family, this gene was involved in cold response in Arabidopsis, but limited studies had been reported in rice. Based on above results, this proposal will analysis the allelic diversity of OsDRUP1, develop the functional marker. We will identify the E3 ligase function and its interaction protein of OsDRUP1 by in vitro ubiquitination assay and yeast two-hybrid (Y2H) screening and interaction assay. Transcriptome and physiological index will be used to elucidate the biological functions of OsDRUP1, to decipher the molecular and physiological mechanisms of OsDRUP1 in rice drought response. This study will provide the theoretical basis for understanding the molecular foundation and mechanisms of rice adapted to stress, and offer new gene and marker resources for rice breeding.

干旱是影响水稻生产最重要的非生物胁迫之一。因此挖掘水稻优异抗旱基因资源，阐明抗旱分子机理，对于培育抗旱水稻新品种至关重要。本研究前期利用基因芯片技术，从抗旱导入系DK151中克隆了泛素连接酶基因OsDRUP1，发现该基因对水稻抗旱性具有正向调控作用。该基因编码蛋白属于泛素化连接酶U-box家族的VII亚组（TPR + U-box），在拟南芥中该类基因能够调控冷胁迫响应，但是在水稻中尚未有与抗逆相关的报道。在此基础上，本项目拟分析种质资源中的OsDRUP1的单倍型多样性，开发功能性分子标记；鉴定OsDRUP1的泛素化活性及其互作蛋白，同时结合抗旱生理指标测定和转录组等技术，解析OsDRUP1参与抗旱的生物学功能，探讨OsDRUP1参与水稻抗旱的分子和生理机制。本研究结果，不仅为水稻抗旱遗传改良提供了新基因和标记资源，而且为认识泛素化连接酶参与水稻抗逆响应的分子机理提供理论指导。

水稻是世界上最重要的三大粮食作物之一，是世界2/3人口的主要食物来源。近年来，干旱胁迫已成为威胁水稻生产的重要障碍因素之一，对我国水稻生产带来了严重威胁。因此，挖掘水稻优异抗旱基因资源，阐明抗旱基因的抗旱分子机理，采用转基因或者分子育种技术加快节水抗旱新品种的选育已迫在眉睫。U-box蛋白质能够促进底物蛋白泛素化降解，控制细胞内异常蛋白的数量及质量，在植物响应外界环境胁迫方面发挥着重要作用。.本研究利用基因芯片技术，从抗旱导入系DK151中克隆了泛素连接酶基因OsDRUP1，发现该基因对水稻抗旱性具有正向调控作用，该基因编码蛋白属于泛素化连接酶U-box家族的VII亚组（TPR + U-box）。通过核苷酸多样性和单倍型图谱分析发现该基因是一个重要的籼粳分化基因，在进化过程中受到了非常重要的选择，结合抗旱表型分析鉴定了能够该基因的优异抗旱SNP位点。解析了OsDRUP1基因参与抗旱的生理调控机制，即通过脯氨酸的积累及POD、SOD的酶活分别提高植株的保水和抗氧化能力，同时还能促进气孔关闭，减少水分散失，从而提高水稻的抗旱性，同时该基因的过表达株系对产量等重要的农艺性状没有任何负面影响，具有潜在的育种应用价值。进一步的分析发现OsDRUP1具有E3泛素连接酶活性，通过酵母双杂交筛选到了与其互作的两个蛋白OsRZFP34和OsDIS1，这两个蛋白都是负调控水稻抗旱的蛋白因子，利用BiFC等技术验证了OsDRUP1同OsRZFP34和OsDIS1的互作关系。通过转录组分析和qPCR技术发现OsDRUP1能影响大量转录因子的表达，OsDRUP1可以通过这些转录因子影响下游抗逆基因的表达，包括LEA家族成员、蜡质和JA合成途径的关键酶类等，从而提高水稻的抗旱性。本研究结果不仅为水稻抗旱遗传改良提供了新基因和标记资源，而且为认识泛素化连接酶参与水稻抗逆响应的分子机理提供理论指导。