类受体激酶DRUS1和DRUS2调控水稻花序发育的分子机制及其信号通路

The floral transition and inflorescence morphogenesis are crucially important for grain yield in rice. During this processes, sequential initiation of different meristems and floral organ primordia, through rapid cell growth, cell division and differentiation, rely on fine regulation of cell-cell communication. Nevertheless, the receptor-like kinases that mediate signal perception and transduction involving in inflorescence development are rarely reported. Our previous studies have found that two CrRLK1L receptor-like kinases DRUS1 and DRUS2 redundantly control rice reproductive growth. The double mutant drus1 drus2 showed delayed floral transition and extremely bare inflorescence. However, their upstream regulator and downstream signaling pathway are not determined. In this project, we will investigate 1) Whether the expression of DRUS1 and DRUS2 is regulated by the components known in photoperiod and hormone signaling pathway, or by MADS-box transcription factors; 2) Whether the expression of DRUS1 and DRUS2 is inhibited by environmental stress during reproductive stage; 3) Whether the signaling pathway mediated by DRUS1 and DRUS2 affects the sugar metabolism. We will finally clarify the key node of DRUS1 and DRUS2 in the regulatory network during inflorescence development in rice.

水稻的花芽转换和花序形态建成对于谷粒产量至关重要。在这个过程中, 各级分生组织有序转换，细胞快速生长、分裂和分化，形成器官原基，这都需要细胞间通讯来进行精细调控。然而介导胞间通讯的类受体激酶参与花序发育的研究报道不多。我们前期研究发现两个CrRLK1L家族类受体激酶DRUS1和DRUS2功能冗余地调控水稻生殖生长。缺失DRUS1和DRUS2的双突变体花芽转换延迟，花序极其贫瘠，然而这两个受体激酶的上游调控因子和介导的信号通路并不清楚。为此本项目拟通过遗传学和生物化学等方法，研究 1）光周期信号途径组份、MADS盒转录因子，激素信号是否作为上游因子调控DRUS1和DRUS2的表达；2）环境胁迫是否抑制DRUS1或DRUS2在水稻繁殖发育期的表达；3）DRUS1和DRUS2介导的细胞信号途径是否影响糖的代谢过程。最终阐明DRUS1和DRUS2在水稻花序发育的调控网络中所处的关键节点。

我们前期研究结果表明：水稻中CrRLK1L亚家族受体激酶DRUS1和DRUS2功能冗余地调控水稻花序发育，是产量形成的重要决定子。两者与拟南芥中的FER高度同源，但它们的生物学功能有明显差别。DRUS1和DRUS2在水稻中作为生存因子，促进水稻生长，抑制细胞死亡。本项目的重点是解析DURS1和DRUS2发挥作用的分子机制。取得重要结果有：1）DRUS1和DRUS2具有激酶活性，且激酶活性为其生物学功能所必需，因为激酶活性丧失的KR-DRUS1和DA-DRUS1均不能完全恢复双突变体drus1 drus2 (dk) 的表型，特别是不能恢复花序的表型。 2）通过串联亲和层析结合质谱分析确定了DRUS1的互作蛋白——质膜质子泵OsA7, OsA3 and OsA9；3）通过体外生化实验证明了DRUS1可以结合并磷酸化OsA7的C末端（OsA7-CT），质谱分析鉴定出磷酸化位点在T950，是质子泵C末端倒数第二个氨基酸，是公认的质子泵磷酸化激活位点。 4）生产了抗pT950抗体，并利用该抗检测水稻体内磷酸化水平。发现KR-DRUS1/dk水稻花序中T950磷酸化水平极低，暗示该位点的磷酸化依赖DRUS1的激酶活性。进一步用两相法分离质膜，检测ATP水解驱动的质子外排活性，发现dk质膜微囊加入ATP后几乎没有H+流出，证明质子泵活性极低。5）对颖花进行NBT和DAB染色，分别检测超氧阴离子（O.-2）和H2O2的积累，发现与正常的野生型颖花相比，KR-DRUS1/dk败育的白色颖花（由于dk 中几乎没有颖花，故用KR-DRUS1/dk代替）中超氧阴离子（O.-2）显著减少，而H2O2显著增多，暗示dk细胞中超氧化物歧化酶（SOD）活性极高，可能被细胞中积累的H+激活，SOD快速将超氧阴离子转化成H2O2，，造成其大量积累，导致细胞损伤和死亡。此外，还发现DRUS1及DRUS2基因的转录响应干旱胁迫。.综合以上结果，本项研究阐明了DRUS1和DRUS2在水稻中作为生存因子的重要意义：一方面维持质膜质子泵活性，为营养物质跨膜转运提供质子动力势，促进水稻生长；另一方面维持细胞内氧化还原系统稳态，促进不同阶段的发育。该项成果可用于作物改良，通过设计若干元件，提高花序质子泵活性，促进花序生长，从而提高穗粒数和粒重。