一个水稻组织特异性脆秆突变体hk06的基因克隆与功能解析

Mechanical strength is an important agronomy trait of rice plants that affects crop lodging, grain yield and straw utilization. As a prominent physical property of cell walls, mechanical strength reflects upon the structure of different wall polymers and how they interact. Studies on the mechanisms that regulate the mechanical strength therefore consequently results in uncovering the genes functioning in cell wall biosynthesis and remodeling. Several brittle mutants of rice were identified and characterized. In this study, we characterized a new brittle mutant hk06 identified from japonica variety xiushui110 by means of ion beam radiation. To understand the mechanism of controlling plant mechanical strength, the anatomical structure and chemical features of brittle mutant hk06 were investigated. Anatomical analyses were carried out by means of various microscopic techniques, such as light microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Based on the preliminary gene mapping, the candidate gene of tsbc1(t) will be isolated by chromosome walking. We plan to take the transgenic complementary technology to verify the accuracy of the identified gene. Then, the gene structure and predicated functions of protein will be speculated through bioinformatics analysis method. In the other hand, the relation between the tsbc1(t) gene and cell wall biosynthesis will be revealed by analyzing the gene expression pattern of tsbc1(t) in different organs during the growth period.The finding of novel brittle culm gene tsbc1(t) will facilitate the understanding of the mechanism of cell wall biosynthesis and lend new insights into rice breeding for utilizing rice straws.

水稻茎秆的机械强度是一个重要的农艺性状，在水稻的抗倒性、产量以及秸秆利用等方面起着重要作用，而茎杆的机械强度主要是由细胞壁提供。目前关于水稻细胞壁的生物合成和调控机理并不完全清晰，需要发掘和解析更多的新基因。本项目拟以一个重离子诱变的组织特异性脆秆水稻突变体hk06为研究对象，利用细胞学和化学分析手段鉴定突变体在细胞结构和组织成分上的差异；在前期定位研究的基础上，进一步精细定位、筛选和确定控制hk06脆秆性状基因 tsbc1(t)的候选基因；转基因互补进行功能验证；分析tsbc1(t)基因的编码蛋白，并预测其可能的功能；研究 tsbc1(t)基因在不同发育时期与部位的表达特性，初步解析新基因的功能以及在水稻细胞壁生物合成中所处的环节。通过对tsbc1(t)基因克隆和功能解析，有助于揭示水稻细胞壁生物合成和机械强度形成的分子机制，为从品种源头上解决水稻秸秆还田难题提供新的研究思路和理论基础。

水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，茎秆强度作为重要的农艺性状，与产量和抗倒伏密切相关。茎秆的强度主要由细胞壁支撑，尤其是次生细胞壁。水稻脆性突变体是研究次生细胞壁生物合成的重要材料，鉴定和克隆新的水稻脆性基因对揭示水稻次生细胞壁合成调控的分子机制有着重要意义。本项目围绕离子束诱变的一个水稻脆性突变体hk06开展研究工作，研究发现该突变体的脆性特征的表现具有组织特异性，仅在茎秆组织表现显著。农艺性状分析表明hk06具有生产应用的价值潜力。通过对茎秆横切面电镜观察发现，hk06突变体的厚壁组织的细胞壁厚度明显比野生型变薄。细胞壁成分分析表明，hk06突变体的纤维素含量比野生型降低了28%，阿拉伯糖和木糖含量分别增加了37%和41%，葡萄糖含量也增加了大约18%。遗传学分析表明hk06的脆秆性状受一对隐性核基因控制，将其定位于水稻第6染色体上，命名为cef1。利用图位克隆技术分离了cef1基因，分析表明CEF1基因编码的是水稻Myb家族的一个转录因子OsMYB103，生物信息学揭示了CEF1基因具有R2R3-MYB结构。生化分析表明CEF1蛋白定位于细胞核中，在C端具有较强的转录活性。基因表达模式分析表明CEF1基因主要节间和穗部表达，表现出组织特异性。基因互作分析发现CEF1基因主要通过直接结合CESA4, 7, 9 和BC1的启动子来调控这些基因的功能，CEF1可能是一些调控次生细胞壁合成的转录因子的上游开关。本研究揭示了cef1可能是调控茎秆机械强度的重要因子，同时也为从品种角度解决秸秆还田难题提供理论支持。