OsPPKL基因家族调控水稻籽粒发育的遗传网络解析

Grain size is an important agronomic trait of grain yield in rice. Previously we identified an extra large-grain japonica accession N411 (1,000-grain weight=~72g). Through positional cloning approach, we cloned a major grain length QTL, qGL3, which encodes a putative protein phosphatase with Kelch-like repeat domain (OsPPKL1) (Zhang et al., PNAS, 2012). An aspartate-to-glutamate transition in a conserved AVLDT motif of the second kelch domain in OsPPKL1 leads to a long grain phenotype. The rice genome has other two OsPPKL1 homologs, OsPPKL2 and OsPPKL3. The mutant and transgenic studies showed that OsPPKL1 and OsPPKL3 function as negative regulators of grain length, wherease OsPPKL2 as a postive regulator. The rice double- and triple-mutants of OsPPKLs family will be generated to analyze the grain development in rice; the OsPPKLs-interacting proteins will be identified and analzyed for their differences as well as whether they serve as the substrates of OsPPKLs. The downstream gene and protein networks of OsPPKLs will be identified through microarray and phosphoproteomics approaches. This project will clarify a genetic network of OsPPKL family in the regulation of grain length and provide the theorical support of molecular breeding with OsPPKL genes.

水稻的籽粒大小是重要的产量性状。本研究筛选获得了一个千粒重约72克的超大粒水稻品种N411。通过图位克隆的方法，我们从N411中克隆了控制水稻粒长的基因OsPPKL1（PNAS, 2012)。OsPPKL1是一个具有Kelch结构的PP2A蛋白磷酸酶，Kelch结构中的点突变导致了水稻粒长的增加。OsPPKL1在水稻中有2个同源基因OsPPKL2和OsPPKL3。研究表明OsPPKL1和OsPPKL3是水稻粒长的负调控因子，而OsPPKL2是正调控因子。本项目将对OsPPKLs基因的双突变和三突变体进行籽粒发育的分析，研究基因家族间的遗传关系；筛选并分析OsPPKLs的互作蛋白及异同，研究OsPPKLs对互作蛋白的去磷酸化活性；分析OsPPKLs调控的下游基因和磷酸化蛋白质组。本项目将解析OsPPKL基因家族调控籽粒发育的遗传网络，为OsPPKLs的分子育种利用提供理论依据。

水稻粒长关系到水稻产量与外观品质。本项目前期从水稻品种N411中克隆了一个控制水稻粒长的主效基因qGL3/OsPPKL1，该基因编码一个丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶。除了OsPPKL1，水稻中还存在另外2个OsPPKL1同源基因：OsPPKL2和OsPPKL3。3个OsPPKL基因在水稻中呈组成型表达，但OsPPKL1和OsPPKL3的表达量高于OsPPKL2。转基因水稻和突变体表型分析结果表明OsPPKL1和OsPPKL3都是水稻粒长的负调控因子，而OsPPKL2是正调控因子。进一步我们发现OsPPKL家族参与了油菜素内脂信号通路，OsPPKL1和OsPPKL3是BR信号的负调控因子，而OsPPKL2是正调控因子；而且OsPPKLs还影响了BR的含量。OsPPKL1和OsPPKL3能够形成异源二聚体，而与OsPPKL2不能。OsPPKL1和OsPPKL3能够与OsGSKs家族发生相互作用，而OsPPKL2不能与OsGSKs直接互作。OsGSKs参与了BR信号通路，是BR和粒长的负调控因子。进一步发现OsPPKL1和OsPPKL3能够将OsGSKs底物去磷酸化，而来自于N411的OsPPKL1的去磷酸化活性下降。OsGSK3能够对转录因子OsBZR1进行磷酸化，而且将OsPPKL1与OsBZR1共转化时，OsBZR1的细胞核定位变弱，而来自于N411的OsPPKL1则不影响OsBZR1的定位。在osppkl1突变体中OsGSK3的含量下降而OsPPKL1过量表达转基因水稻中OsGSK3的含量上升，进一步表明OsPPKL1正调控OsGSK3，负调控OsBZR1。我们还发现qgl3与gs3存在部分加性效应，在BR信号通路中存在交叉。综合蛋白质互作、转录组和磷酸化蛋白组学技术构建OsPPKL参与的调控网络，为OsPPKLs家族的育种利用奠定了基础。将93-11NIL-qgl3近等基因系进行了育种利用研究，通过与不同不育系配置杂交稻，相比较于93-11配置的组合，小区产量提升12%以上。本项目初步构建了OsPPKLs家族参与的遗传调控网络，发表SCI论文2篇，授予植物新品种权1项。