半乳糖转运蛋白OsSWEET5调控水稻叶片衰老的机制研究

As the final stage of leaf development, leaf senescence plays important roles in the process of growth and development of plants. Because leaf senescence can cause the decline of photosynthesis and reduction of carbon assimilation, which makes it a limiting factor for crop yield. In our previous study, a plasma membrane protein involved in galactose transport named OsSWEET5 was isolated and identified, and the role of it in regulating leaf senescence was preliminary analyzed. However, the detailed regulation mechanism of OsSWEET5 in regulating leaf senescence remain to be elucidated. We will investigate the changes of plant hormones and sugar levels, and examine the transcriptional changes of the genes involved in plant hormones and sugar metabolism and transport in OsSWEET5 transgenic plants at various plant hormones treatments, or galactose and dark-induced senescence conditions; analysis the expression pattern and transport activity of OsSWEET5, screen and verify the OsSWEET5-interacting proteins through yeast two-hybrid and BiFC assay, to expound how OsSWEET5 modulates the regulation of leaf senescence in rice. These results will provide us the basic information to further reveal the mechanisms of leaf senescence in rice.

作为叶片发育的最后阶段，叶片衰老在植物的生长发育过程中起着重要的作用。由于叶片衰老会引起光合作用和碳同化能力的下降，因而它是作物产量的限制因素之一。在之前的研究中，申请人分离和鉴定一个定位于细胞质膜的半乳糖转运蛋白OsSWEET5，并初步分析了它在调控水稻叶片衰老进程中的作用，但OsSWEET5调控叶片衰老的详细机制并未阐明。本项目拟在各种激素、不同浓度的半乳糖和暗处理条件下，检测OsSWEET5转基因植株中各种激素与各种糖含量的变化，分析各种激素和糖代谢、转运相关基因表达量的变化，并结合OsSWEET5的表达模式和转运活性，以及通过酵母双杂交和BiFC试验检测OsSWEET5的互作蛋白，来阐明OsSWEET5如何调控水稻叶片衰老进程，为进一步揭示水稻叶片衰老机制奠定基础。

叶片衰老会引起光合作用和作物产量的下降，在植物的生长发育过程中起着重要的作用。在之前的研究中，我们鉴定一个定位于细胞质膜的糖转运蛋白OsSWEET5，过表达OsSWEET5基因会引起水稻叶片早衰。在本项目中，我们进一步检测了OsSWEET5的表达模式和转运活性，以及通过酵母双杂交试验筛选与OsSWEET5互作的蛋白。结果表明：除在衰老叶片中表达外，OsSWEET5基因还在灌浆期的颖壳和雄蕊基部表达，而且其表达量在暗诱导的叶片衰老过程中迅速上调。酵母试验表明OsSWEET5及其同源蛋白不仅参与转运半乳糖，还参与蔗糖、甘露糖和果糖的转运。通过酵母双杂交筛选水稻衰老叶片的核系统和膜系统酵母cDNA文库，共得到68个互作蛋白。此外，在自然生长和暗处理条件下，检测OsSWEET5转基因植株中各种激素、叶绿素、糖含量等的变化，分析叶绿素代谢、各种激素和糖代谢、转运相关基因表达量的变化。结果表明：过表达OsSWEET5引起苗期新叶叶绿素合成受阻，老叶中叶绿素加速降解，同时叶绿体加速降解，导致叶绿素含量下降，叶片早衰。此外，过表达OsSWEET5还引起脂质合成异常，糖代谢和转运紊乱，ABA合成相关基因表达量下降，ABA含量下降。另外，相比野生型而言，暗诱导处理加速了OsSWEET5转基因植株的叶片衰老进程，叶绿素降解相关基因表达量明显上升，叶绿体加速降解。但是OsSWEET5和OsSWEET15的敲除植株没有明显的叶片衰老相关的表型，可能是其它的糖转运蛋白弥补了OsSWEET5和OsSWEET15敲除的糖转运功能。在接病后，过表达植株叶片中果糖、葡萄糖、蔗糖等含量显著降低，表现出对白叶枯病的显著抗性。这些结果为进一步揭示OsSWEET5的水稻叶片衰老。本项目首次在水稻中研究了糖转运蛋白OsSWEET5在水稻叶片衰老过程中的功能，并对其是否参与水稻抗白叶枯病进行了探索。