OsRBR1控制水稻小穗形成的功能与调控机理研究

The floral formatin in plant is determined by the interactions between floral organ identity genes and their regulators. RBRs belong to a small gene family in plant, mainly participate in important biological processes, such as regulation cell cycle progression, control cell growth and differentiation and organ formation through interactions with other proteins. There are two unknown functional genes of RBR in rice. We obtained two kinds of floral organ mutants with similar phenotype in rice. The result of positional cloning showed that these two mutants were caused by loss-of-function mutantion of the same gene OsRBR1. OsRBR1 showes the conserved domains similar to that of animal RB and other plant RBRs. It is presumed that, as a critical factor in regulation of floral organ formation in rice, OsRBR1 probably regulates the expression of floral organ identity genes and their downstream genes through interactions with other proteins, so as to control floral organ formation in rice. On the basis of previous studies, this project aims to further analysis the function and expression pattern of OsRBR1 gene, and to clarify the specific regulation mechanism of OsRBR1 on spikelet development in rice, by comprehensive using of the technique and methods of yeast two hybrid, co-immunoprecipitation, expression profiling sequencing, and so on. The results of this study will provide some new insights into the comprehensive understanding the molecular regulation mechanism of spikelet formation in rice.

植物花的形成受花器官特征基因与其调节基因相互作用、共同决定。RBR是植物的一类小家族蛋白，主要通过与其它蛋白互作，参与调节细胞周期的进程，控制细胞的生长、分化与器官的发育等重要生物学过程。水稻有2个功能未知的RBR基因。我们从水稻中获得了2种表型相似、小穗发育明显异常但其它性状发育正常的花器官突变体。图位克隆表明，这两种突变体均由OsRBR1功能缺失引起。OsRBR1具有与动物RB及其它植物RBR相似的保守结构域。初步推测，作为调节水稻花器官形成的关键因子，OsRBR1可能通过与其它蛋白质互作，调节花器官特征基因及其下游基因的表达，从而控制水稻花器官的形成。在此基础上，本项目拟综合采用酵母双杂交、免疫共沉淀、表达谱测序等技术方法，进一步分析OsRBR1的功能和表达特征，阐明OsRBR1特异调节水稻小穗形成的作用机制。本研究的结果将为全面理解水稻小穗形成的分子调控机制提供新见解。

RETINOBLASTOMA-RELATED genes (RBRs)是植物中一类重要的小家族基因，作为细胞周期的核心因子，参与调节细胞的生长与分化。但目前对其在细胞周期之外的分子功能仍知之甚少。水稻有2个功能未知的RBR基因。我们前期已初步分析了OsRBR1的功能，本项目采用正向与反向遗传的方法研究了这两个RBR基因的功能，阐明了它们在调节水稻生长发育中的作用机制。在水稻的营养生长期，这两个基因在所有组织、器官中共表达，并显示出功能冗余。单基因突变并未影响其营养生长，但两个基因同时突变则呈现致死效应，表明RBR对维持水稻正常的营养生长至关重要。在生殖发育期，这两个基因的表达和功能呈现明显分化。OsRBR1在FM中高表达，通过调节花器官同源基因的表达，以确保花器官的形成。基因突变引起花分生组织功能的丧失，导致小穗的内3轮器官完全退化，在其中央长出穗状结构，或者产生数目不定的稃片状器官。OsRBR2在雄蕊中高表达，通过调节绒毡层降解有关基因的表达，促进花粉的发育。基因突变引起绒毡层的降解延迟，产生畸形且无花粉的花药。OsRBR1和OsRBR2分别与包括OsMSI1在内的9个和25个蛋白质存在互作。OsMSI1在水稻中广泛表达，对维持正常的生长发育至关重要，该基因突变产生致死效应。此外，两个水稻RBR基因均参与调控OsMSI1的表达，以维持幼穗和花药中OsMSI1转录丰度的稳定。但两者的作用相反，OsRBR1抑制OsMSI1在FM中的表达，而OsRBR2促进OsMSI1在花药中的积累。在此基础上，我们提出了RBR基因特异性调节水稻小穗发育与花粉形成的作用机制。OsRBR1负调控OsMSI1的表达，维持OsRBR1和OsMSI1在FM中相似的丰度；在内3轮花器官原基分化过程中，RBR1-MSI1激活FM特异基因的表达，以维持FM的功能，从而确保花器官的形成。OsRBR2正向调节OsMSI1的表达，维持OsRBR2和OsMSI1在花药中相似的丰度；在花粉发育过程中RBR2-MSI1调节绒毡层细胞降解相关基因的表达，以维持绒毡层的功能，促进花粉粒的发育。本研究进一步揭示了植物RBR的功能，为全面阐明水稻小穗发育与花粉形成的分子调控机制提供了新的见解，也为揭示植物保守的RBR-MSI1调控生殖发育路径提供了新的信息。