多梳蛋白类（PcG）基因Ez1和Ez3在水稻种子发育中的功能与作用机制研究

水稻是全球最重要的粮食作物，其产量和品质取决于种子的形成。近年来多梳蛋白（PcG）基因在拟南芥种子形成过程中调控胚和胚乳发育的研究受到广泛重视。我们从水稻基因及增强子诱捕突变体库中筛选到PcG类基因Ez1和Ez3突变体，观察到颖花结构异常、子房未受精先期膨大等现象，表明其参与了水稻种子发育调控过程。本项目拟采用定量PCR和原位杂交方法分析水稻Ez基因的时空表达，构建Ez基因超表达株系，比较突变体和超表达株系胚、胚乳发育情况，以阐明Ez基因在水稻种子发育中的功能。利用水稻两个亚种（籼稻和粳稻）Ez基因的SNP位点，正反交观察不同亲源的Ez基因在杂交后代胚和胚乳中的表达差异，探讨Ez基因的印记。在突变型与野生型胚乳发育过程中比较Ez基因甲基化差异，解析Ez基因作用的分子机制。研究结果将增进对单子叶植物种子发育中亲本基因组印记与作用机制的了解，为进一步提高水稻产量和品质的分子育种奠定理论基础。

水稻是全球最重要的粮食作物，其产量和品质取决于种子的形成，种子的发育涉及到胚胎胚乳发育和储藏物质的积累。近年来研究发现多梳蛋白（PcG）抑制复合物通过组蛋白修饰控制拟南芥种子发育，但我们对水稻种子发育的表观调控所知甚少。本研究阐释了PcG类Ez基因在水稻种子发育中的功能。1、水稻基因组中有2个Ez同源基因，其编码的蛋白具有组蛋白甲基转移酶SET结构域。定量PCR检测2个Ez在水稻中均呈组成型表达，但Ez1在幼穗和种子中表达较高，Ez3在发育早期的种子及7天的胚乳中表达量达到峰值。Ez启动子融合报告基因显示其时空表达与定量PCR结果一致。原位杂交表明Ez1的mRNA主要积累在分生组织中，Ez3的mRNA主要积累在分化和成熟的组织中。该表达模式暗示其在水稻生长发育特别是种子发育中的作用。2、构建了水稻Ez RNA干涉和超表达株系。Ez3 基因表达下调显著降低结实率和千粒重，导致10%的种子无胚和胚乳发育，20% -32%的种子胚胎发育延迟和形态异常，35%-60%的中胚乳细胞少、分化延迟及未积累淀粉,30%-50%的种子因胚乳充实度下降出现皱缩。Ez3干涉种子萌发速率和幼苗生长势明显低于野生型其种子中淀粉和蛋白质合成类基因的表达发生改变，细胞PCD过程相关的基因表达下调。Ez3可能通过调控细胞周期和PCD途径相关基因的表达，控制水稻胚胎发育和形态分化，控制胚乳细胞分裂和成熟；可能还参与淀粉和蛋白的合成控制胚乳储藏物质积累。OsEz1 基因表达下调降低了水稻的结实率和千粒重，还出现卷叶和矮化表型，该基因可能参与水稻叶片形态和种子发育的调控。3、用Ez启动子融合报告基因和SNP两种策略，均检测到正反种子中双亲Ez的表达，证明Ez不是印记基因。4、水稻SET家族生物信息学分析显示其基因组中有43个SET基因，该家族5个分支中除SET结构域具有修饰H3K27me3之外，其它结构域在组蛋白修饰位点的识别上有重要意义。分析了该家族基因启动子顺式元件、共表达以及GO注释，提出该家族中的12个基因可能通过组蛋白修饰，参与细胞周期调控，从而控制生长发育。