水稻E3泛素连接酶OsRGE3调控根长的分子机制

Root, one of the three major nutritional organs of plants, is essential for the growth and development of whole plants. E3 ubiquitin ligase plays an important role in various plant growth and development processes. Previous studies have shown that disturbing the function of a rice E3 ubiquitin ligase gene OsRGE3 using CRISPR-Cas9 exhibits longer root than wild-type. In vitro protein interaction analysis indicated that OsRGE3 interacts with argininosuccinate lyase (OsASL1.1). However, the molecule mechanism has not been elucidated. The project will carry out the following research from the perspectives of genetics and biochemistry: (1) using the overexpression method to verify the biological function of OsRGE3; (2) further analyzing the interaction between OsRGE3 and OsASL1.1 in planta; (3) exploring the content of OsASL1.1 and arginine changes in the OsRGE3 knock-out and overexpression mutants; (4) determining the ubiquitination activity of OsRGE3 and the degradation of OsASL1.1 relying on the ubiquitin-proteasome system, in order to uncover the molecular mechanism of OsRGE3 affecting rice root growth. The results will provide new theoretical support for the genetic basis theory and the application of breeding of rice roots.

根作为植物的三大营养器官之一，对整个植物的生长发育至关重要。E3泛素连接酶在植物生长发育诸多过程中发挥重要功能。前期研究表明，利用CRISPR-Cas9敲除一个水稻E3泛素连接酶基因OsRGE3，水稻根显著变长。体外蛋白互作分析表明OsRGE3与精氨酸代琥珀酸裂解酶 (OsASL1.1) 相互作用，但其具体分子机制并不清楚。本项目将从遗传和生化两个角度开展以下研究：(1) 利用过表达进一步确证OsRGE3的生物学功能；(2) 深入分析植物体内OsRGE3与OsASL1.1的相互作用；(3) 分析OsRGE3敲除和过表达突变体中OsASL1.1的含量及精氨酸变化；(4) 分析OsRGE3的E3酶活性及对OsASL1.1的泛素化降解作用，以期解析OsRGE3影响水稻根长的分子机制，为水稻根系遗传基础理论和育种应用研究提供一定的理论依据。

E3泛素连接酶在植物生长发育的诸多过程中均发挥着重要作用。然而，关于水稻E3泛素连接酶成员调控根长的报道却很少。本项目利用CRISPR-Cas9基因编辑技术创制了一个E3泛素连接酶基因OsRGE3在两种水稻生态型Nipponbare和Kitaake背景的基因编辑水稻材料，通过根长分析证实了两种生态背景突变体的苗期根长均显著长于野生型对照，表明E3泛素连接酶基因OsRGE3在调控水稻根长方面具有重要的生物学功能。组织表达模式分析表明OsRGE3在幼根中高表达。进一步组织显微切片观察分析，表明E3泛素连接酶基因OsRGE3影响了根细胞的生长，这些结果与其调控水稻根长的生物学功能相吻合。利用酵母筛库及双杂交分析，证实了OsRGE3与精氨酸代琥珀酸裂解酶 (OsASL1.1) 在酵母中存在相互作用。进一步通过双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation, BiFC) 和荧光素酶互补(Luciferase complementation assay, LCA)技术证实了OsRGE3与OsASL1.1在植物体内亦存在相互作用。进一步组织表达模式分析表明，OsRGE3与OsASL1.1具有类似的组织表达模式，均在幼根中高表达。这些结果为深入揭示OsRGE3-OsASL1.1模块调控水稻根长的分子机制奠定了坚实基础。此外，我们发现OsRGE3在调控干旱方面也可能具有重要功能。不同浓度甘露醇（模拟干旱）处理下，幼苗期OsRGE3的日本晴背景的CRISPR-Cas9基因编辑植株较野生型对照明显根长较长，表明耐旱性增强。综上所述，我们的研究结果发掘并证实了一个调控水稻根长的重要新元件E3泛素连接酶OsRGE3，不仅调控水稻苗期根长，也可能参与了苗期耐旱性调控，对其功能及分子机理的揭示对水稻幼苗生长及干旱抗性调控均具有十分重要的科学意义。