水稻和拟南芥生殖发育中RFC基因的调控机制

Replication factor C (replication factor complex, RFC) plays an important role in the DNA replication processes of human and yeast. Our previous study found that RFC1 has an important function in DNA repair in Arabidopsis female and male gametophyte development, but no other subunits of RFC function were reported. Therefore, using the model plants Arabidopsis and rice as materials, based on adopt a variety of means and our new research ideas, we will investigate biological function of RFC genes and network control relationship with the related genes in reproductive development of embryos and gametes, and explore the molecular regulation mechanism of RFC genes in DNA replication, chromatin condensation, DNA recombination, DNA repair, sister chromatid separation and other key events, revealing their functions in cell division and cell cycle. The molecular mechanism and regulation difference of RFC genes in the reproductive development of the two modes of plants will be revealed. The results of the study will fill the blank of RFC gene function in plants, and reveal the extremely important roles of RFC genes in DNA replication, recombination and repair. It is expected that the research results can be published influential papers SCI 4-5, and a lot of graduate students can be trained.

复制因子C（replication factor complex，RFC）在人类和酵母DNA复制中扮演着重要作用。本人前期研究发现，RFC1在拟南芥雌、雄配子体发生的DNA修复中具有重要功能，但目前国际上未见RFC其它亚基的相关报道。因此，我们基于前期研究基础和创新性思路，以模式植物水稻和拟南芥为材料，采取多种手段，研究胚胎、配子体等生殖发育中RFCs基因的生物学功能及其相关基因的网络调控关系；探讨RFC基因在DNA复制、染色质凝集、DNA重组、DNA修复、姐妹染色单体分离等关键事件中可能的分子调控机制，揭示其在细胞分裂和细胞周期中的功能；揭示RFC基因在两种模式植物生殖发育中的分子机理和调控差异。该研究成果将填补植物RFC基因功能研究的空白，对揭示RFC基因在DNA复制、重组和修复等重要事件中的作用具有极其重要的意义。预计该研究成果发表有影响力的SCI论文4-5篇，并培养研究生若干名。

复制因子（RFC，Replication factor C）复合体由5个功能非冗余的RFC1/2/3/4/5亚基组成。酵母和人类中的RFC复合体在DNA复制、姐妹染色单体黏连、细胞周期检验点及DNA损伤修复等过程行使重要功能。酵母和人类RFC复合体的结构和功能研究比较清楚。但高等植物中RFC复合体功能的报道寥寥无几。本研究以拟南芥和水稻RFCs基因为研究对象，利用生物信息学、遗传学、细胞生物学及分子生物学等技术，发现AtRFC1在配子体发育、AtRFC2/3/4/5在早期胚胎和胚乳发育中的功能；揭示拟南芥RFC1在减数分裂同源重组和DNA修复、AtRFC4在DNA复制中的生物学功能。利用突变体、水稻胚囊透明、亚细胞定位、荧光定量PCR等方法，对水稻RFC复合体各亚基的功能进行了研究，发现水稻RFC1/2/3/4均参与种子的形成过程。研究了水稻和拟南芥RFC-PCNA复合体各亚基间的互作方式和复合体形成所必需的区域，发现RFC复合体亚基的C端对其形成是必需的。主要结果以下：（1）鉴定和分析拟南芥RFC2/3/4/5基因的5个T-DNA插入突变体，发现RFC2/3/4/5任一基因的功能缺失均导致胚胎停滞在2/4细胞胚体阶段，胚乳游离核的数目较野生型显著减少。（2）发现拟南芥RFC2/3/4/5基因可能参与细胞周期的G1/S转换、DNA复制及DNA损伤修复过程。（3）对拟南芥RFC4基因的功能进行系统地研究，发现它参与DNA复制，影响胚胎、胚乳及幼苗细胞有丝分裂过程。（4）分析水稻RFC复合体的5个亚基的生物信息学、表达模式、作用元件及亚细胞定位，发现RFC复合体在真核生物中高度保守；RFCs基因在分裂旺盛的组织中优势表达；OsRFC1/4/5仅定位于细胞核中，而OsRFC2/3在细胞质和细胞核中均有分布。（5）研究水稻RFC2/3基因的2个T-DNA插入突变体，证实它们可能参与了水稻的种子发育过程。利用RNAi和CRISPR敲除技术，获得OsRFC1/2/4的功能缺失株系，证实RFC1/2/4参与了水稻种子发育过程。（6）通过研究水稻和拟南芥RFC-PCNA复合体各亚基间的互作方式和互作区段，发现它们与酵母和人类的RFC-PCNA复合体组装方式差异显著。该项研究对揭示高等植物RFC复合体的生物学功能将有重要的意义。