基于拟南芥QTL位点RSB2的植物主茎分枝分子调控机制

Shoot branching is a major determinant of plant architecture, governing many aspects of form, light interception efficiency, and resource availability. Shoot branching enhances vegetative growth and generates multiple sites for seed production and may thereby affect the harvest index. Thus, the degree of branching can be a major determinant of plant biomass and seed yield. Studies on shoot branching not only has important theoretical value but can also serve in agricultural production. However, little is known about the specific molecular mechanisms underlying this trait. The applicant discovered 2 major quantitative trait loci (QTLs) for reduced stem branching (RSB1 and RSB2) epistatically regulate stem branching using international advanced Arabidopsis Multi-Parent Recombinant Inbred Line (AMPRIL) population during post-doctoral studying in Max-planck institute for plant research. RSB1 had been cloned and identified as the AGL6 gene but the molecular mechanism on regulating shoot branching is still not clear. RSB2 was mapped on a genomic region in which the known branching genes was not found, which suggests that RSB2 is most likely to be a new gene. In the project, based on the fine-mapping of RSB2, we will complete the cloning and identification of RSB2 using molecular genetic technology. In further, we will conduct a comprehensive study on the molecular mechanism of RSB1 and RSB2 on regulating shoot branching using several approaches such as molecular genetics, omics and biochemistry. The cloning and function research of RSB2 would improve our knowledge about shoot branching, and also could supply good candidate genes for molecular breeding of crops.

高等植物的分枝发育决定着植物地上株型系统，在植物形态建成中占有十分重要的地位；植物的分枝也是影响作物生物量和产量的重要农艺性状。因此植物分枝的研究不仅具有重要的理论价值还可服务于农业生产，但目前对植物分枝调控的分子机制了解还较少。申请人在博士后期间运用国际上先进的多亲本重组自交系群体研究发现拟南芥中两个减少主茎分枝的主效QTL位点（RSB1和RSB2）加性互作共同调控主茎分枝， RSB1已被克隆鉴定为AGL6基因,但其调控分枝的分子机理仍不清楚；而RSB2定位于一个没有已知分枝调控基因的基因组区域，暗示它很可能是一个新基因。项目拟以RSB2 精细定位为出发点，用分子遗传学手段对RSB2进行克隆和鉴定。进一步综合运用生理生化，分子生物和组学等现代生物技术手段对RSB1和RSB2在植物分枝调控中的作用机理进行全面深入的研究，以期丰富植物调控分枝的特异性分子网络，为农业生产分子育种提供理论依据。

植物分枝发育很大程度上决定了植物地上部的形态结构，在植物的形态建成中占有非常重要的地位。它又与作物的生物量和结实量有着密切的关系，是作物的重要农艺性状之一。因此植物分枝发育的研究不仅具有非常重要的理论价值，还可应用于农业实际生产。尽管在环境因素的影响下植物的分枝具有一定的可塑性，但总体而言分枝发育调控是受遗传因素控制的。为了进一步了解分枝形成的分子遗传机制，本项目将拟南芥多亲本重组自交系群体研究中发现的一个减少主茎分枝的主效QTL位点—RSB2精细定位到拟南芥3号染色体末端分子标记 S3-21031 和 S3-21037 之间约 6kb 的物理区间内。候选基因分析及转基因互补实验证实AT3g56780基因调控拟南芥主茎分枝的发育，这个基因的生物学功能以前没有被报道过，我们命名这个基因为RSB2。序列分析发现RSB2编码一个含有富含亮氨酸重复（LRR）的结构域的F-BOX蛋白，含有431个氨基酸。RSB2蛋白定位在细胞质中，其表达无时空特异性特征。研究发现RSB2基因在第24bp位置的T/A突变导致了主茎分枝的改变。自然界中该突变的频率为0.8%，是一稀有突变。RSB2与已知突变体没有显著相互作用，是一新的调控途径。进一步研究发现RSB2以参与泛素介导蛋白质的降解途径调控拟南芥的主茎发育。该项目的完成，为进一步阐明植物分枝调控的分子机制提供了新的思路，丰富人们对植物分枝发育调控机制机理的认识, 为人们通过反向遗传学手段定向改造植株形态，培育出具有理想株型的作物新品种奠定坚实的基础，在农业生产上具有重要意义。