水稻OsmicroRNA396e/f调节产量和提高氮素利用的分子机制研究

Plant microRNAs (miRNAs) play important roles in the regulation of organ development, signal transduction and biotic/abiotic stress. The preliminary screening of miRNA mutant libraries constructed in our laboratory revealed that OsmiR396 have important functions in elevation of rice yield. Different members of miR396 mutants were constructed by CRISPR/Cas9 method shown that OsmiR396e/f is involved in rice yield through regulation of both grain size and panicle shape. Further studies found that OsmiR396e/f mutants can improve the utilization of nutrients, especially, nitrogen. This project intends to clarify the function of OsmiR396e/f from several aspects, such as histological localization, transcriptional expression level and molecular pathways. The RACE and miR-resistant technologies will be used to identify the downstream target genes of OsmiR396e/f. The molecular mechanism of OsmiR396e/f and its downstream target gene OsGRFs to affect rice agronomic traits and response to stress response will be analyzed through plant molecular physiology, biochemistry and genetics, to provide a scientific and theoretical basis for rice improvement and molecular breeding strategy ideas.

植物中microRNA(miRNA)在调控器官发育、信号转导和逆境胁迫过程中起着重要作用。前期通过对本实验室构建的水稻OsmiRNA的突变体库筛选发现OsmiR396对水稻产量提升有重要调节作用。利用CRISPR/Cas9技术构建OsmiR396s家族成员的水稻突变体，发现OsmiR396e/f可以同时参与水稻粒型和穗型的调节；进一步研究发现OsmiR396e/f可以响应氮胁迫，其突变体可以提高对氮素的利用效率。本项目将从组织学定位、转录水平表达和分子途径等几个方面明确OsmiR396e/f的功能；通过RACE、miR-resistant技术进一步确定OsmiR396e/f的下游靶标基因；通过分子植物生理学、生物化学以及遗传学等技术手段，揭示OsmiR396e/f通过操纵下游靶标基因OsGRFs来影响水稻农艺性状和响应逆境胁迫的作用机制，为挖掘潜在的作物改良靶标奠定科学的理论基础。

植物中microRNA396 (miR396)可以直接抑制多个生长调节因子基因(OsGRFs)，其参与到调节水稻产量和氮同化作用中。过量表达miR396靶标基因OsGRF4和OsGRF6，可以通过分别增大粒型和增加穗分枝来提高水稻产量。本研究中，我们利用CRISPR/Cas9基因组编辑系统明确了MIR396基因在水稻中的功能。研究发现只有MIR396ef（MIR396e和MIR396f）的敲除突变体，增大了粒型和穗分枝，导致谷物产量增加。进一步研究发现，在低氮条件下，mir396ef突变体的谷物增产和地上部生物量增加更为显著。此外，除了已知靶标OsGRF4和OsGRF6外，还发现OsGRF8为miR396的新靶标。OsGRF8中miR396靶向位点的破坏同样可以增大粒型和增加穗长度。综上，水稻种子和穗发育受到miR396ef-GRF4/6/8-GIF1/2/3模块的调控，MIR396ef可以作为基因编辑的潜在靶位点，用于培育需要较少氮肥的环境友好型水稻品种。