新型转录因子SG2调控水稻粒形和粒重的分子机制研究

The rice grain shape and grain weight are important quality and production phenotypes. Our study found that the T-DNA insertion mutant short grain 2 (sg2) show a significant decrease in grain length and grain weight. SG2 encodes a new type plant specific PLATZ transcriptional factor, and genetic analysis revealed that T-DNA was co-segregated with the mutant phenotype. Further genetic complement analysis by transfering SG2 genomic segment to the mutant background can completely rescue the mutant phenotype; over expression of SG2 in the wild type significantly increases grain length and weight, suggesting SG2 positively regulates grain length and weight. This study plans to further analyze the expression pattern, sun-cellular localization, transcriptional activities of SG2. The cellular mechanism for the regulation of grain shape will also be studied. On the basis of these, ChIP-seq and DNA microarray will be used to identify the target genes of SG2. The target genes will further be verified by EMSA and ChIP. Although 16 rice seed shape and weight related genes have been cloned, their signaling pathways for controlling grain shape still unknown. This study will determine the potential interaction and control mechanism between SG2 and other known rice seed shape and weight related factors. These results will provide support for study the molecular regulatory network of rice grain shape.

水稻粒形和粒重是重要的品质和产量性状，我们的前期研究发现水稻T-DNA插入突变体short grain 2 (sg2)的粒长和粒重显著减小，遗传分析证明T-DNA与表型共分离，初步分析表明SG2编码一个新型的植物特异的PLATZ转录因子，进一步的转基因功能互补以及过表达试验表明SG2能够正调控水稻的籽粒长度和千粒重。本项目拟在前期研究的基础上进一步深入研究SG2调控水稻粒形的细胞学和分子机制，通过细致分析SG2的表达模式、亚细胞定位、转录活性等特性，以及结合ChIP-seq和基因芯片等方法鉴定SG2调控的候选靶基因并进行验证，阐明SG2调控水稻粒形和粒重的分子机制。此外，尽管已有16个水稻粒形、粒重相关的基因被克隆，但它们如何通过相互作用控制粒形的分子机制仍不清楚，本项目将研究SG2与已知粒形、粒重控制相关基因的可能相互作用和控制机制。这些结果可能为水稻粒形控制的分子调控提供基础。

水稻粒形和粒重是重要的品质和产量性状，本研究通过对水稻突变体库的筛选，发现了一个粒长减少，粒宽和粒厚变化不显著的突变体sg6（申请书中名为sg2，项目执行过程中因有新发表的其它基因命名相同，为避免混淆改名为sg6）。对突变体进行了遗传分析和基因克隆，进一步通过转基因功能互补，过表达及CRISPR/Cas9基因编辑等手段对候选基因进行了功能验证，证明表明一个植物特有的PLATZ（Plant AT-rich sequence and zinc-binding proteins）蛋白能够调控水稻的粒形和千粒重。进一步通过细胞学手段分析了该基因对籽粒调控的细胞学基础，发现其主要通过影响细胞分裂调控颖壳长度，并确定了其作用的具体时期。利用荧光定量PCR，启动子分析等手段详细分析该基因的表达模式，并明确了其编码蛋白的亚细胞定位。意外的是在对该基因编码蛋白进行亚细胞定位和转录激活活性分析时发现该基因并不像典型转录因子一样定位在细胞核内并具有转录激活活性，说明该基因可能不是一个典型的转录因子。为了深入分析SG6 基因调控水稻粒形的分子基础，利用水稻的幼穗构建了酵母文库，并进行了酵母双杂交筛选，发现SG6与DP1等细胞分裂相关的蛋白互作。与之对应的是利用野生型和突变体幼穗进行RNA-seq分析发现细胞周期及相关的生物学过程在差异表达基因中显著富集，说明SG6确实调控了细胞分裂相关生物学过程。有意思的是，在野生型中过表达SG6相对于野生型能够显著增加粒长多达36.7%，同时千粒重也增加大约36%，说明该基因具有潜在的育种利用价值，但是由于过表达该基因后带来了一些负面效应，如：株高增加，每穗粒数和结实率降低等问题，如能进一步的克服将可用于水稻的高产育种和外观品质改良。