RSD1调控水稻种子发育的分子机理研究

Growth and development of rice seed determines both grain yield and grain quality. To identify new regulators of seed development, we searched rice gene expression databases and selected several transcription factor genes that specifically or highly expressed in seed. We then generated mutants of these genes by TALEN technology. Quantitative RT-PCR analysis showed that a member of bHLH family gene is highly expressed in developing seeds. Compared with wide type, the grain length of mutant increased and the grain thickness decreased. The mutants also showed a white belly, which is a floury-white core occupies the ventral region of the seed. Moreover, total starch content in grain of mutant was significantly decreased. Quantitative RT-PCR analysis showed that all starch synthesis genes analyzed were down-regulated in mutant seeds 7 days after pollination. These data indicate that this transcription factor regulates both grain shape and starch biosynthesis. Thus, we named it Regulator of Seed Development 1 (RSD1). In this project, we will study the function of RSD1 further and reveal the mechanisms for RSD1 regulation of grain length and starch biosynthesis.

种子生长发育的过程直接决定了水稻产量的高低和品质的优劣。为发掘新的种子发育调控因子，我们挑选了一些在种子中特异表达或者高表达的转录因子，通过TALEN技术获得了它们的突变体。我们发现，一个bHLH家族的转录因子在灌浆期的种子中表达量非常高。与野生型相比，突变体粒长增加，粒厚减小；胚乳中垩白显著增加，表现为不同程度的腹白。进一步的分析显示，突变体种子的总淀粉含量降低，且授粉后7天的胚乳中淀粉合成酶类基因的表达都有不同程度的下调。由于该基因既影响了粒型又影响了淀粉合成，所以我们将它命名为Regulator of Seed Development 1 (RSD1)。在本项目中，我们拟开展RSD1基因的功能研究，揭示RSD1基因调控粒长和淀粉合成的分子机制，为分子设计育种提供理论基础。

水稻种子的发育不仅决定了产量的高低，也决定了品质的优劣。发掘影响种子发育的调控因子，不仅能够解析种子发育的遗传调控网络，也将为分子设计育种提供理论指导。淀粉是水稻胚乳中最重要的储藏物质，约占胚乳干重的90%。淀粉的合成和积累对胚乳发育、产量和品质都具有重要的影响。在本项目中，我们开展了淀粉合成调控因子RSD1和RSD2的功能研究。RSD1和RSD2基因在灌浆期胚乳中的表达量均显著高于其他组织。RSD1编码一个bHLH家族的转录因子。rsd1突变体胚乳中垩白显著增加，且表现为不同程度的腹白。突变体中淀粉颗粒排列疏松，淀粉颗粒变得小而圆。rsd1突变体胚乳中总淀粉含量下降，直链淀粉含量上升，可溶性糖含量上升，并且支链淀粉的链长分布发生了变化。开花后7天的突变体胚乳中各种淀粉合成酶类基因的表达都有不同程度的下调。RSD1蛋白能够与E-box结合。ChIP-PCR实验显示，RSD1能够与十个淀粉合成酶类基因的启动子结合，因此RSD1是淀粉合成的直接调控因子。RSD1没有转录激活活性，可能通过与其它蛋白互作调控靶基因的表达。我们筛选到了RSD1的互作蛋白RIP1，将深入研究RSD1的作用机制。RSD2是一个典型的NAC转录因子，具有转录激活活性。rsd2突变体胚乳的外观和淀粉颗粒的形态没有明显变化，但是总淀粉含量和直链淀粉含量下降，可溶性糖含量上升。支链淀粉的链长分布和淀粉的理化性质发生改变。在灌浆期，rsd2突变体中7个淀粉合成酶类基因的表达发生了变化。ChIP-PCR实验显示，6个淀粉合成酶类基因是RSD2直接调控的靶基因。RSD1和RSD2独立调控淀粉合成，两者之间没有互作。上述研究阐明了RSD1和RSD2调控淀粉合成的分子机制和调控网络。此外，我们还通过数量遗传学方法，开展了粒型性状QTL的定位工作，发现了一些新的QTL位点，为深入解析粒型性状的遗传基础提供了有价值的信息。