抗坏血酸缺失影响水稻分蘖的作用机理研究

Tillering in rice is one of the most important agronomical traits that determined grain yield. Phytohormones such as strigolactones (SL) play a key role in rice tillering. Our previous researches showed that ascorbic acid (Asc) deficiency in transgenic rice suppressed for GLDH, which is a key enzyme in Asc biosynthesis in higher plants, resulted in a significantly decrease of tiller number. This project is designed to study the effects of Asc deficiency on SL biosynthesis, SL signalling and coordinate regulation of SL, IAA and CTK play on rice tillering using GLDH RNA interference mutants of rice as plant materials. The changes of Asc content, expression of the GLDH gene, ROS and antioxidant system, content of carotenoids (the synthetic precursor of SL), activities and gene expressions of key enzymes related to SL synthesis and its signal reception, phytohormones contents of IAA, CTK, ABA and JA, and activities and gene expressions of enzymes related to these phytohormones in tiller bud, leaf, stem and root will be analyzed in different tillering stages in Asc deficient mutants and wild-types. The broader purpose of this project is to elucidate the effects of Asc plays on rice tillering from the points of gene expression and plant physiology, which might provide some theoretical guidance to rice breeding for high yield.

分蘖是影响水稻穗数进而影响其产量的重要农艺性状，独脚金内酯（SL）等植物激素在调控水稻分蘖中起关键作用。我们的前期研究结果表明，植物抗坏血酸（Asc）合成关键酶GLDH基因的干涉转基因系水稻由于Asc的缺失导致分蘖数显著下降。本项目拟利用GLDH干涉转基因系水稻纯合体为材料，通过分析不同分蘖时期水稻分蘖芽、叶片、茎及根中的Asc含量、GLDH活性及其基因表达变化、活性氧和抗氧化系统变化、SL合成前体类胡萝卜素的含量、SL合成相关酶和基因表达变化、SL信号接受相关酶和基因表达变化、IAA和CTK的含量及相关酶与基因表达变化，衰老激素ABA和JA的含量及相关酶与基因表达变化，深入研究Asc缺失对SL的合成和信号接收的影响，以及Asc缺失如何影响SL、IAA和CTK三者对水稻分蘖的协同调控，从基因表达水平与植物生理学调控角度深入探讨Asc缺失影响水稻分蘖的作用机理，为水稻的高产育种提供理论指导。

分蘖是影响水稻穗数进而影响其产量的重要农艺性状，SL等植物激素在调控水稻分蘖中起关键作用。本项目利用GLDH干涉及超表达转基因系水稻纯合体为材料，通过分析不同分蘖时期水稻叶片、茎、根及分蘖芽中的Asc含量、GLDH活性及其基因表达变化、活性氧和抗氧化系统变化、SL合成及信号接受相关酶和基因表达变化、IAA和CTK的含量及相关酶与基因表达变化，衰老激素ABA和JA的含量及相关酶与基因表达变化，深入研究Asc缺失对SL的合成和信号接收的影响，以及Asc缺失如何影响SL、IAA和CTK三者对水稻分蘖的协同调控，本项目获得的重要结果有：1）Asc缺失影响水稻分蘖进程，GLDH干涉系植株的分蘖数明显减少，而超表达系植株的分蘖数在分蘖后期明显增加，不同分蘖时期GLDH干涉系和超表达系叶、茎和根的活性氧积累、抗氧化能力、SL含量、SL合成关键酶的活性及其基因的表达量变化存在差异。2）不同分蘖时期GLDH转基因水稻叶片、茎和根中SL信号接收途径相关因子D3、D14对内源Asc缺失的响应、ABA和JA含量及相关酶活性与基因表达存在差异，Asc缺失影响植物衰老激素含量变化，对SL信号接收产生影响。3）Asc缺失影响不同分蘖时期GLDH转基因水稻叶茎根IAA和CTK合成关键酶的活性以及基因表达，水稻植株的IAA、CTK和GA含量存在明显差异， SL可能协同IAA和CTK共同作用导致水稻分蘖性状的改变。4）喷施外源Asc和MeJA引起GLDH基因干涉系水稻叶片的Asc含量、光合能力以及衰老相关基因表达的改变，进而对水稻生长和产量性状产生不同影响。5）遮阴处理能有效改善GLDH基因干涉系水稻的光合能力以及衰老相关基因的表达，对水稻生长和产量性状的改善起促进作用。6）水稻内源Asc含量的上调有利于籽粒灌浆，籽粒淀粉的排列结构以及垩白度得到改善。7）Asc缺失影响籽粒灌浆过程中淀粉合成途径关键酶的活性和相关基因的表达，最终导致籽粒灌浆速率、淀粉特性以及垩白度的改变。总之，本研究着重从基因表达水平与植物生理学调控角度深入探讨Asc缺失影响水稻分蘖的作用机理，为水稻的高产育种提供理论指导。