水稻和拟南芥胚乳细胞化分子机制的研究

Endosperm cellularization is an important event in plant seed development, it transforms the endosperm from free nuclear to integrated cells with cell wall, which provide energy and nutrients for embryos (Arabidopsis) or seedlings (rice) development. At present, the research on the rice endosperm cellularization is still blank, and little is known about the regulatory mechanism of Arabidopsis endosperm cellularization. The study on endosperm cellularization is helpful to understand the molecular mechanism of free nuclear proliferation, cytokinesis and cell wall formation, and also to improve our knowledge about seed development rules. This research project adopts high-throughput sequencing and gene editing techniques to screen the important genes functioning in endosperm cellularization of rice and Arabidopsis, combined with our mutants in Arabidopsis endosperm development, multiple techniques of genetics, cell biology, molecular biology and biochemistry will be utilized to investigate the biological function of ECD (Endosperm Cellularization Defective) genes, including gene expression pattern, protein subcellular localization, mutant defective characteristics, protein physiological-biochemical characteristic, and the relationship with other key regulatory proteins. Our research will reveal the regulatory mechanism of free nuclear proliferation, cytokinesis and cell wall formation in the process of endosperm cellularization, and explore its important role in seed development. The research on molecular mechanism of endosperm cellularization in rice and Arabidopsis has important theoretical significance and potential application value.

植物胚乳发育过程中的细胞化是植物种子发育中的重要事件，它使胚乳从游离核状态转变成具有细胞壁的完整细胞，为胚胎（拟南芥）或幼苗（水稻）发育提供能量和营养物质。目前，关于水稻胚乳细胞化的研究仍属空白，关于拟南芥胚乳细胞化的调控机制知之甚少；开展胚乳细胞化研究有助于理解合胞体游离核增殖、胞质分裂及细胞壁形成的调控机制，并提高对种子形成规律的认识。本研究计划采用高通量测序及基因编辑技术，筛选水稻和拟南芥胚乳细胞化中发挥功能的重要基因，结合本课题组已有的拟南芥胚乳发育缺陷突变体，通过多种技术手段研究胚乳细胞化相关基因ECD的表达模式、编码蛋白的亚细胞定位、突变体的表型特征、蛋白的生理生化特性、以及与其他关键蛋白之间的互作关系，揭示其在胚乳细胞化过程中游离核增殖、胞质分裂和细胞壁形成的调控机制，探索其在种子发育中的重要作用。本项目关于水稻和拟南芥胚乳细胞化的分子机理研究具有重要理论意义和潜在应用价值。

高等植物的种子包含着胚乳和胚胎两个重要的结构。胚乳发育起始于中央细胞经过受精作用所形成的受精极核，经过早期的游离核分裂及随后的细胞化进程形成胚乳，为胚胎或幼苗发育提供能量来源和营养物质。目前的研究显示，拟南芥的胚乳细胞化涉及到仅几个基因，但是调控机理尚不明确，而水稻的胚乳细胞化研究尚属空白。在本项研究中，我们共鉴定了参与拟南芥和水稻的胚乳细胞化过程的10个基因，并对它们的生物学功能和调控机制进行了探究。我们在筛选和鉴定拟南芥胚乳增殖或胚乳细胞化缺陷突变体的基因中，获得了N端乙酰转移酶A（NatA）复合物的两个亚基NAA10和NAA15，它们通过抑制AGL62的表达来保证拟南芥胚乳细胞化的顺利进行；分析了野生型3-5 DAP和突变体5-7 DAP胚珠的基因转录调控，证实了NAAs可能通过改变胚乳细胞壁组成和果胶甲酯化程度影响胚乳细胞化的过程；发现了拟南芥中一个线粒体转位酶蛋白DEEa（defective endosperm and embryo a）通过影响胚乳印迹基因、胚乳和胚胎之间的信号转导、以及胚乳细胞壁合成等过程参与了胚乳发育，并参与维持线粒体结构完整及ROS稳态来影响胚乳游离核分裂和细胞化起始过程；证实了拟南芥NUF2能与SPC25直接结合，调节有丝分裂过程的纺锤体微管分布来影响染色体的分离，进而控制胚乳细胞化进程；发现了拟南芥SMC6A和SMC6B参与有丝分裂和DNA损伤修复过程，它们的功能缺失造成细胞程序性死亡，导致胚胎和胚乳发育异常；发现了2个水稻膜蛋白基因DEE1/2的缺失影响了细胞周期，从而引起水稻早起胚乳游离核增殖异常，同时引起胚胎异常膨大；发现了水稻滑动夹装载复合体中的一个亚基RFC4（Replication factor C）影响早期胚胎发育和胚乳游离核分裂，并且通过改变糖代谢和淀粉转化来影响胚乳细胞化的进程；阐明了拟南芥和水稻RFC-PCNA复合体中各亚基及单体序列、结构和互作机制的异同。以上研究结果为阐明高等植物胚乳细胞化过程的调控机制提供了理论基础，对农作物品种改良、粮食的增产提供重要的科学依据。