RNA结合蛋白DEK6调控玉米籽粒发育的分子机制

The kernel-related traits play an essential role in determining maize seed quality and yield. Maize defective kernel mutants are the key resource to study such traits. The classical maize dek6 mutant displays both starchy and collapsed endosperm and severely arrested embryo and endosperm development, suggesting that DEK6 is essential for maize seed formation. Positional cloning revealed that DEK6 encodes a novel RNA-binding protein. Loss-of-function of its Arabidopsis ortholog AtDEK6 also causes arrested embryo and endosperm development, leading to embryo lethality. We will study the function of DEK6 through the phenotypic, transcriptional and translational analysis, thus isolating and identifying the RNA targets and the interacting proteins of DEK6. This can unravel the mechanism of DEK6 underlying embryo and endosperm development, as well as the deposition of storage compounds. Combined with the function of Arabidopsis ortholog, we will study the functional divergence of DEK6 in seed evolution during the separation of monocot and dicot angiosperms.

籽粒相关性状是决定玉米产量和品质的重要因素。玉米dek类籽粒突变体是研究这些性状和籽粒发育的重要资源。玉米经典突变体dek6具有胚乳粉质和塌陷的双重表型及胚和胚乳发育严重受阻，表明其突变本质十分重要但尚未解析。利用图位克隆技术已成功克隆了DEK6基因，编码一个新类型的RNA结合蛋白。拟南芥直系同源基因突变体At_dek6具有类似的种子塌陷且胚致死表型。本课题将从表型、转录和蛋白水平三方面研究DKE6的功能，分离并鉴定DEK6结合的靶RNA及互作的蛋白，揭示该新类型RNA结合蛋白调控胚和胚乳发育及储藏物质积累的分子机制。结合拟南芥的DEK6基因，研究其在被子植物种子演化中的功能进化。

玉米属于单年生禾本科植物，是一种重要的粮食作物。作为储藏物质积累的主要器官，籽粒直接决定了玉米的产量和品质。玉米籽粒的发育受多基因协同调控，诸多机制尚未被解析。.dek6突变体由EMS诱变获得，籽粒皱缩、顶端塌陷，且为胚或苗致死型。突变体胚发育严重滞后、传递层细胞数目减少胚乳发育受阻。图位克隆表明，DEK6编码DYW型的PPR蛋白且定位于线粒体。DEK6参与了多个线粒体转录本的编辑，导致线粒体复合物I、III 和IV的功能减弱。敲除突变体表现出雄配子败育的表型，花药中这些线粒体转录本的编辑也受阻，引发线粒体功能紊乱雄花败育。该研究阐明了DEK6通过调控线粒体转录本的代谢参与玉米生殖发育。.dek40突变体由单基因隐性突变造成的籽粒缺陷型突变体。突变体成熟籽粒呈现小而扁平且顶端凹陷的表型。图位克隆发现，DEK40编码了细胞质定位蛋白酶体伴侣PBAC4蛋白。酵母文库筛选及LCI实验证明DEK40与PBAC3蛋白互作，参与了20S蛋白酶体的组装。DEK40蛋白功能丧失显著阻止了20S蛋白酶体形成，最终导致26S蛋白酶体活性下降。泛素化蛋白组表明，dek40影响细胞中泛素化蛋白的降解、对细胞内蛋白质稳态的维持起关键作用。该研究阐明了DEK40调控20S蛋白酶体的组装和26S蛋白酶体的功能，影响玉米籽粒的发育。.shrunken1749是转座子插入导致的籽粒皱缩突变体。通过图位克隆将该突变定位于玉米4号染色体上60.19~62.58 Mb的区间。基因注释分析发现，区间内存在已报道BRITTLE ENDOSPERM2 (Bt2)基因，其编码玉米胚乳淀粉合成途径中的一个限速酶——腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)的小亚基。籽粒储藏物质分析表明，该突变体百粒重及淀粉含量显著降低，但可溶性糖含量增加为野生型的4.67倍。等位测验确认shrunken1749是Bt2的新等位突变体，在Bt2基因的第2个外显子存在一个Mutator 19转座子的插入。本研究为解析玉米Bt2基因在胚乳储藏物质积累中的作用机制及超甜玉米育种提供了新种质资源。