水稻叶片通气组织形成调控基因AFD1的功能研究

Aerenchyma is important for rice growth and development, which is considered to be an efficient tissue to ameliorate flooding and low oxygen stress. However, the molecular network that controlling the aerenchyma (Gas spaces) formation in rice leaves is poorly understood. To address this fundamental question, we identified a mutant called aerenchyma formation defect 1（afd1）by screening the population of rice mutants，which severely affects leaf aerenchyma formation. Histological analysis showed that leaf gas spaces in afd1 are filled with parenchyma cells，which results in the defect in gas spaces formation，leading to severe dwarfism in the mutant plants. Map-based cloning and in-depth analysis of AFD1 revealed that it encodes a novel Root cap protein with unknown function. To further uncover the molecular mechanism of AFD1 in regulating leaf aerenchyma formation, we will investigate the biological function of AFD1 and identify downstream targets and interaction partners of AFD1 required for aerenchyma formation through molecular biology, biochemistry and genetics approaches. Demonstrating the mechanism how AFD1 orchestrates its function will have a significant contribution to understand the molecular basis of aerenchyma formation.

通气组织对于水稻的生长发育非常重要，直接影响水稻植株在水淹缺氧条件下的正常生长。目前关于水稻叶片通气组织（气腔）形成的分子机制尚不清楚。我们通过筛选水稻突变体库分离鉴定了一个水稻叶片气腔发育异常的突变体aerenchyma formation defect 1（afd1），细胞学分析发现该突变体叶片气腔的位置大部分被薄壁细胞所占据，表现出明显的气腔发育异常，进而影响水稻生长，导致突变体植株矮小。通过图位克隆技术我们分离到AFD1基因，该基因编码一个功能未知的Root cap家族蛋白。为了进一步研究AFD1基因在水稻叶片通气组织形成中的作用机理，本项目拟通过分子生物学、生物化学和遗传学等手段分析AFD1基因的生物学功能，寻找AFD1相互作用蛋白以及其调控的下游基因，揭示AFD1基因调控水稻叶片气腔形成的分子机制，为阐明植物通气组织形成的调控网络奠定基础。

通气组织对于水稻的生长发育非常重要，直接影响水稻植株在水淹缺氧条件下的正常生长，但目前关于水稻叶片通气组织（气腔）形成的分子机制尚不清楚。本课题通过定向筛选水稻突变体库，分离鉴定了一个水稻叶片气腔发育异常的突变体aerenchyma formation defect 1（afd1），通过细胞学分析发现afd1突变体中叶片气腔发育异常表型主要由于气腔内部薄壁细胞的细胞分裂和分化异常所导致。我们通过图位克隆方法成功克隆到AFD1基因。AFD1基因编码一个内质网定位的Root cap家族蛋白。表达模式分析发现AFD1基因在叶片和叶鞘的叶肉细胞、薄壁细胞以及维管组织中特异性高表达。通过酵母双杂交发现AFD1与可能的乙烯受体成员ERS2存在蛋白互作。进一步分析发现AFD1基因的功能缺失导致植物激素乙烯生物合成途径成员ACS1, ACS2 和 ACS3以及信号转导响应因子ERF3表达水平显著下降。上述结果表明AFD1可能通过与ERS2蛋白互作，协同调控植物激素乙烯的生物合成及信号转导，从而影响水稻叶片通气组织的正常发育。本研究初步揭示了AFD1调控水稻叶片气腔发育的分子机制，为阐明植物通气组织形成的调控网络奠定基础。