水稻OsWDRP通过BR信号转导系统调节株高的分子机制研究

Plant height is an important agronomic trail in rice. As the completion of rice genome sequencing project and functional genomics studies have advanced, at the molecular level the mechanism of formation of the comprehensive study of rice plant type will be for future breeding practice provide strong theoretical basis. It has been found that most of the dwarf or semi-dwarf mutants are related with gibberellin (GA), brassinosteroid (BR) and the strigolactone (SLs) synthesis, metabolism and signaling pathways. We have found a rice semi-dwarf mutant with a OsWDRP3 gene knocked out or expression inhibited. The mutant also showed BR insensitive phenotype. OsWDRP3 is a WD-repeat protein in rice and might be interacted with ser/thr receptor protein kinases. This project intends to research the molecular mechanism in OsWDRP3 through BR signal to control plant height, which provides the theoretical foundation for the further improvement of rice plant type.

株高是水稻的主要农艺性状。随着水稻基因组测序计划的顺利完成和功能基因组学研究的不断深入，在分子水平全面研究水稻株型形成的机理将为今后的育种实践提供有力的理论基础。目前已经发现的众多矮化和半矮化的突变大多与赤霉素（GA）、油菜素内酯（BR）和独脚金内酯（SLs）等激素的合成、代谢和信号途径有关。我们在研究过程中发现一个水稻T-DNA插入突变体（wdrp-3）以及RNAi转基因植株（RNAi-wdrp3）表现为半矮化；该突变体以及RNAi植株均对BR表现出不敏感，推测是BR信号通路受阻导致的矮化；该突变基因编码一个具有WD结构域的蛋白，该蛋白与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体相关。本立项拟研究该WD蛋白通过BR控制水稻株高的分子机制，为进一步改良水稻株型提供理论基础。

WD-repeat蛋白参与植物生长和发育过程中的各种生理生化过程。对水稻中的该类蛋白研究相对较少。我们实验室研究发现OsWDRP3可能通过BR 信号影响水稻的株高和结实率。取得了如下研究结果：基因枪方法研究了OsWDRP3在洋葱表皮中的表达定位，结果表明，该蛋白在细胞中主要定位于细胞核和细胞膜；mRNA原位杂交、RT-PCR以及定量PCR的结果表明该基因主要在叶片和根中表达；ABA、NaCl和PEG处理条件下，该基因的表达均有一定的变化；RNAi植株的种子成熟度差，大部分种子未能正常发育，表现为种子偏小，颖壳的颜色偏白，与野生型水稻成熟种子有较大差异。大部分RNAi种子不能正常萌发，少数萌发的种子在苗期生长时表现为发育迟缓；利用CRISPR技术，构建转基因载体并获得了转基因植株，观察发现转基因植株与RNAi植株的表型相似，即植株矮小、抽穗延迟以及结实率低；为了研究OsWDRP3是否能与OsBAK1相互作用参与BR信号途径，本实验采用BIFC方法研究了OsWDRP3与OsBAK1在细胞内的相互作用，观察发现二者互作之后定位在靠近细胞膜的胞质中；根据生物信息学分析磷酸化的位点，设计点突变引物，PCR方法获得点突变基因，利用基因枪转化洋葱表皮，分析点突变蛋白在细胞中的定位，借此研究磷酸化对于WDRP3定位的影响。该蛋白209位S突变为A（不被磷酸化），细胞内的定位局限在细胞核内，而同位点S突变为D（持续磷酸化），则对定位没有影响；该蛋白234位和287位丝氨酸突变的结果与209位的情况相同，即S突变为A（不被磷酸化），细胞内的定位局限在细胞核内，而同位点S突变为D（持续磷酸化），则对定位没有影响。结果暗示WDRP3蛋白的磷酸化对于该蛋白在细胞内的定位至关重要。本项目的研究对进一步揭示水稻株高控制的分子机制提供了重要理论依据。