解析水稻IIP蛋白调控机械组织形成及叶倾角的新途径

Rice leaf angle is one of most important yield-related agronomic traits. Its regulation network is very complicated. We reported a previously undescribed a RAF-like MAPKKK member ILA1 that is involved in the control of rice leaf angle through regulating the formation of mechanical tissues in lamina joint in 2011. However, other components except ILA1 in this pathway are still largely unknown. In this study, we aim to characterize the molcular mechanism of of IIP (ILA1 Interacting Protein) genes, a small family of functionally unidentified members in plants, in the mechanical formation and leaf inclination regulation. The proposed studies include: 1) characterize the transcriptional activity of IIPs to determine whether they are functional transcriptional factors; 2) identify the in vivo ILA1-phosphorylating sites for IIPs and examine their related functions; 3) identify the down-stream targeting genes via ChIP-seq and transactivation analyses; 4) generate transgenic plants that overexpress and suppress IIPs, to elucidate their biological functions in lamina joints and mechanical tissues. Therefore, this study will reveal a undescribed signaling pathway mediated by IIP and the mechanisms uderlying this pathway, which benefit for elucidation of the complicated network in leaf angle regulation and rice variety improvement.

水稻叶倾角是株型的重要组成部分、与稻米产量密切相关，然而控制叶倾角的遗传调控网络极为复杂。我们在2011年报道了水稻MAPKKK蛋白ILA1调控叶枕部机械组织发育进而控制叶倾角的新途径，但是该信号通路及其调控机制依然未知。本项目旨在研究功能未知的ILA1互作蛋白IIP（ILA1 Interacting Protein）的功能，解析它们在控制水稻机械组织形成和叶倾角中的分子机制。拟在前期工作的基础上利用多学科手段，研究体内转录激活，揭示IIP蛋白的转录因子特性；鉴定IIP蛋白体内磷酸化位点及其效应；进行ChIP-seq分析，确定下游所调控的关键基因；通过创制IIP基因的过量表达和显性抑制遗传材料，明确它在叶倾角和机械组织形成中的功能和调控机理。这些工作将进一步揭示IIP所介导的信号通路和调控水稻叶倾角的机制，为水稻株型改良提供理论依据。

次生壁是地球上最丰富的可再生资源，具有重要的经济价值。次生壁还是植物生长的物质基础，影响生命活动的众多生理过程，因而其合成受到严格的调控。研究发现，大量NAC、MYB等类型的转录因子构成了复杂的网络，以应答植物体内外各种信号、精准调控次生壁生物合成。然而迄今为止鉴定到的负调控因子却极少。水稻MAPKKK蛋白ILA1介导了调控叶枕部机械组织发育进而控制叶倾角的新途径，但是互作蛋白ILA1 interacting protein4 (IIP4) 是其磷酸化底物，生物学功能和所介导的信号通路依然未知。. 本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑和转基因技术创制了iip突变体及遗传材料，发现iip4突变体次生壁厚度明显增加，纤维素和木质素含量略有上升，植株略矮；iip2也具有次生壁变厚表型，株型与野生型相比无显著差异，表明IIP负调控水稻次生壁的合成。大量的生化和分子生物学研究发现，IIP4与次生壁合成的顶层关键调控因子NAC29/NAC31互作，抑制其下游所调控基因、如MYB61、CESA4、CESA7、CESA9的表达，从而干扰次生壁合成。而被ILA1磷酸化的IIP4亚细胞定位发生改变，由核中转移到细胞质，导致细胞核中的互作蛋白NAC29/NAC31被释放，因而促进了下游基因的表达和次生壁合成。对IIP4的序列分析发现，它具有规律重复的非典型CCCH基序(C-X4-C-X10-C-X2-H)。IIP4同源蛋白在植物中广泛存在且高度保守，暗示其功能的重要性。. IIP4对次生壁合成的调控作用还可以用于改良作物抗倒伏性。该研究解析了ILA1-IIP4的信号转导通路，为阐明水稻次生壁形成的分子机制以及作物高产优质分子设计育种提供了重要依据。