REP1基因调控水稻内稃细胞分裂分化分子调控网络的研究

Rice possess unique reproductive organ and flower morphology different from that of dicotyledon and non-grass monocotyledon. Moreover, the delicate process for the reproductive organ establishment and development not only affects its breeding directly, but also plays important role for staple food output. Therefore, researches on molecular mechanism of crop flower development will provide us both theoretical and practical knowledge for future application. In precious study, we isolated the rep1 mutants, which show palea defective growth specifically. Compared with the wild type plants, the rep1 paleas grow 5 vascular bundles instead of 3, which mimic growth pattern in lemma. Furthermore, the palea cells are smaller and lack trichomes differentiation in the rep1 mutant. These abnormal growth directly affect palea development and seeds production in the rep1 mutant. In this study, to further characterizing the REP1 gene function in controlling palea development, palea cell proliferation and differentiation process is firstly been observed in series developmental stage by SEM and paraffin sections. Secondly, core cell cycle genes are selected through bioinformatics analysis, and their expression pattern was analyzed by RT and in-situ hybridization. Finally, these putative target genes of REP1 was analyzed through molecular biological methods for exploiting their direct regulatory relationship in controlling palea cell division and differentiation. Furthermore, yeast two hybrid selection of REP1 protein interactors and EMS screen of REP1 genetic interactor will be used for further uncovering the system regulatory network in controlling palea cell developmnet and morphology.

水稻花发育不仅具有形态结构特异性，其后续形态建成还直接影响到物种的后代繁殖和产量，对其发育调控机理的研究具有重要的理论和应用价值。我们前期研究结果显示，水稻rep1突变体内稃属性部分丧失（维管束由3个变成类似外稃中的5个），后期细胞分裂分化异常（内稃变小且不能进行刚毛状细胞分化的发育）。这种变化直接影响到rep1突变体后期种子的发育和产量，种子小而畸形，该材料是进行水稻花形态建成及内稃细胞发育分子机制研究的理想材料。本项研究将以野生型和rep1突变体为研究对象，系统分析水稻外/内稃细胞发育过程；通过生物信息学和分子生物学方法筛选组织特异性细胞周期基因；通过Q-RT PCR的方法寻找受REP1特异调控的候选细胞周期基因；并通过生物化学和遗传学的方法确定REP1调控水稻内稃细胞发育的分子机制；同时进行酵母双杂交和遗传回复子筛选，为进一步揭示水稻花器官形态建成及内稃细胞发育分子调控网络奠定基础。

水稻花器官是其花序发序和产量形成的基本结构单位，具有独特的形态结构特征。其中，内稃器官边缘组织的特异细胞形态发育决定和影响了外、内稃器官的闭合紧密度，在保护内轮生殖器官免受病虫侵害及种子发育等方面起到重要的作用，但其发育和细胞形态建成的分子调控机理却知之甚少。在本研究中，我们以内稃边缘组织异常发育的rep1，Osmads32和Osmads6突变体为研究对象，对野生型及突变体内稃细胞边缘组织的发育进行了详细的细胞学分析，建立了野生型内稃器官的发育进程及细胞行为模式，并发现内稃细胞具有细胞核内复制的特性，该细胞核内复制过程由OsMADS32和OsMADS6共同调控，细胞周期调控蛋白KPR4等在其中可能起到调节作用。而在rep1突变体中，OsMADS32和OsMADS6异位表位，引起内稃器官中心组织细胞也发生内复制，导致rep1突变体内稃器官边缘组织细胞向中心组织的扩展。.此外，在rep1突变体背景下，我们进一步筛选获得了eg1，eg2，Osmads1，Osmads32，jb25等突变体。在此基础上，研究了E类、C类、MADS32类基因的功能，为水稻花器官形态建成分子作用网络提供遗传证据，为进一步研究花器官形态建成和有限生长发育的分子调控网络奠定了基础。应邀在Annual Review in Plant Biology系统阐述了水稻花序和花器官发育的分子作用网络。我们还发现植物激素茉莉素是水稻小穗向花器官转换发育进程中非常重要的调控信号之一，系统研究了水稻花器官起始发育过程中茉莉素信号产生、信号传导及其下游响应基因OsMADS1的分子调控网络，并受邀在Current Opinion in Plant Biology对该领域的研究现状和发展方向进行综述评论。项目执行期间，培养博士生2名，硕士生5名，发表受本项目资助的研究论文9篇。