BLS1调控水稻花器官发育作用机制研究

Flower development includes three sequential steps, floral-meristem induction, floral-organ pattering and floral tissue and cell differentiation. However, it is rarely reported about the genes served in the third stage of flower formation. By map-based cloning, we isolated BLS1 (BEAK LIKE SPIKELET1) gene, which belongs to the type of the gene in the third stage development. When BLS1 function defects, cell size decreased and generated altered shapes of lemma and palea. However, the molecular mechanism of BLS1 controlling lemma and palea cells development and specification of floral morphology remains unclear. On basis of present studies, we intend to identify BLS1 interacting proteins (BIP) through yeast two-hybrid assays and bimolecular fluorescence complementation technique, analyze the function of BIP by over-expressing and RNA interference, and explore the downstream genes of BLS1 by RNA-seq approach. These studies may help us to uncover the signal transduction pathway and regulatory network of BLS1 gene, and then reveal the molecular mechanism of floral development controlling by BLS1. It is also of great importance for us to understand the role and function of the genes served in the third stage of the floral organ morphogenesis.

花器官发育需要经过三个连续步骤：花分生组织的诱导、花器官轮生模式的形成以及各轮花器官组织细胞的分化和生长。目前关于花器官发育第三阶段功能基因的报道还很少。我们利用图位克隆法分离了一个在水稻花器官发育第三阶段发挥作用的基因BLS1，该基因功能缺失将影响内外稃细胞大小，导致内外稃表型异常。关于BLS1基因如何控制内外稃细胞的发育和生长，影响花器官形态建成的分子机制现在还并不了解。本项目拟在现有基础上，通过酵母双杂交、BiFC等技术鉴定与BLS1互作的BIP蛋白（BLS1-Interacting Protein），过表达和干扰BIP基因分析其对花器官发育的影响，RNA-seq分析BLS1可能作用的下游基因。这些研究旨在解析BLS1信号转导途径及其调控网络，阐明BLS1调控花器官发育的分子机制。研究结果对于理解花器官发育第三阶段基因在花器官形态建成中的作用具有重要意义。

小穗是水稻重要的生殖器官，很大程度上决定了水稻产量的形成和稻米品质的优劣。BLS1是小穗发育的重要基因，调控内外稃的形态建成。目前，BLS1基因作用的分子机制还并不十分清楚。前期研究发现，BLS1蛋白定位于细胞核，利用酵母双杂交系统筛选到一个与其互作的蛋白BIP。在此基础上，本项目通过酵母双杂交系统、Pull-down和BiFC实验，验证BLS1与BIP互作情况；RNA-seq技术分析BLS1可能的调控网络。主要研究结果包括：（1）明确了BLS1的互作蛋白BIP。BIP是一种去泛素化酶同系物（Loc_Os11g28360），其基因编码区由1149个核苷酸组成，包括6个外显子和5个内含子。BIP-RNAi干扰转基因植株花器官发育异常，类似于bls1突变体表型，证明BIP的确参与了水稻花器官的发育。过表达BIP基因没有显著影响花器官的形态。（2）RNA-seq分析发现，在差异表达的基因中，有37个基因与转录因子相关,涉及到赤霉素的合成和信号转导途径的有6个基因，BLS1可能通过赤霉素途径来调控水稻花器官的发育。此外，在项目执行过程中，新发现了BIP基因的突变体fla，fla表现为部分花器官畸形（内稃或者/和外稃缺失、扭曲，芒伸长等）和叶片颜色呈条纹状。图位克隆和转基因结果证实，FLA就是BIP基因。FLA（BIP）在所有检测的组织器官中都表达，而在幼嫩花序中表达量最高；其表达模式与BLS1基因类似。亚细胞定位结果显示FLA (BIP)是一个细胞膜蛋白。通过数据库检索，确定了水稻FLA基因家族包括35个成员，系统发育分析将这些蛋白质分为16个亚家族，FLA属于G8亚家族。去泛素化酶活性分析发现，FLA（BIP）不具有去泛素化酶活性。因为FLA (BIP)没有去泛素化酶活性的保守位点，其在水稻花器官和叶绿体的发育中发挥的关键作用很可能与去泛素化酶活性无关。总之，通过本项目实施，明确了BLS1与水稻去泛素化酶同系物FLA(BIP)蛋白互作，BLS1可能通过与具有新功能的FLA(BIP)互作来调控水稻花器官发育。此外，BLS1基因调控了赤霉素的合成和信号转导途径相关基因的表达，BLS1和FLA(BIP)可能与赤霉素途径存在联系。