水稻寡分蘖突变体apa1的基因克隆和功能分析

Rice tillering is regulated by a complicated genetic network. Among the network, the enhancing of SPL pathway can enlarge stem, restrict tillers, increase panicle branches and finally increase rice yield, suggests SPL pathway is potential in breeding varities with ideal plant architecture. SPL genes are negatively regulated by miR156 at the posttranscriptional level. However, the regulatory mechanisms on them at the posttranslational level remain unclear. Now we have found a rice mutant abnormal plant architecture1（apa1）with reduced tillers. By map-based cloning and sequence analysis, we found that the APA1 encodes a protein containing a zinc finger domain and an IGGH motif, which belongs to the plant-specific SHI/STY gene family. The SHI/STY genes were discovered to play a role in plant height, gynoecium and leaf development, but not in the regulation of plant branching (rice tillering). Through yeast two-hybrid and in vitro Pull-down analysis, we found that the APA1 interacts with SPL14 of the SPL pathway, which suggests that APA1 likely regulates rice tillering through the SPL pathway at the posttranslational level. To elucidate the detailed relation between APA1 and the SPL pathway, we need further studies by the methods and techniques used in cytological analysis, biochemical analysis, genetic analysis and molecular analysis. If the detailed role of APA1 in the SPL pathway is elucidated by our study, it will provide new insight into the regulating network of rice tillering (plant branching) and new clue and target genes for breeding elite rice varities with ideal plant architecture.

水稻分蘖受一个复杂的遗传网络所调控，其中SPL通路在水稻优良株型的选育中具有重要应用潜力。在转录后水平上，SPL基因的表达受miR156负调控；然而在翻译后水平上，SPL基因的调控机制未见报道。我们筛到一个寡分蘖突变体abnormal plant architecture1(apa1)。我们发现APA1基因属于植物特有的SHI/STY基因家族。该基因家族成员主要参与株高、雌蕊和叶片的发育，未见参与调控植物分枝的报道。进一步我们发现APA1与SPL通路的SPL14(IPA1/WFP)基因存在蛋白互作，暗示APA1可能在翻译后水平上介入SPL通路来调控水稻分蘖。接下来我们将综合利用细胞学、生物化学、遗传学和分子生物学的方法和技术来确定APA1与SPL14之间具体的调控关系。本项目的开展一方面将提高我们对水稻分蘖（植物分枝）调控网络的认识，另一方面将为水稻株型选育提供新的基因资源。

水稻分蘖受一个复杂的遗传网络所调控，其中SPL通路在水稻优良株型的选育中具有重要应用潜力。在转录后水平上，SPL基因的表达受miR156负调控；然而在翻译后水平上，SPL基因的调控机制鲜见报道。我们筛选到一个寡分蘖突变体abnormal plant architecture1 (apa1)。我们发现APA1基因属于植物特有的SHI/STY基因家族。该基因家族成员主要参与株高、雌蕊和叶片的发育，未见参与调控植物分枝的报道。.通过研究，我们发现目的基因OsSHI1（APA1）编码植物特异转录因子，主要在腋芽及幼穗中表达。研究人员通过酵母双杂交筛库鉴定出了一个重要的互作蛋白，IPA1（即理想株型调控因子OsSPL14）。IPA1对水稻株型发育的调控主要是通过调控下游关键基因OsTB1及OsDEP1来实现。有趣的是，在这两个基因的启动子中均发现OsSHI1识别基序的存在，并且OsSHI1可直接结合OsTB1及OsDEP1的启动子。在突变体shi1中，OsTB1及OsDEP1的表达水平显著上调。进一步研究发现，OsSHI1可降低IPA1对OsTB1及OsDEP1启动子的结合能力并抑制其对下游靶基因的转录激活活性，进而协同调控水稻株型建成。相关研究结果本人作为第四作者于2019年03月25日发表于The Plant Cell杂志上。.另外，在基金委青年基金（31201271）以及本项目（31671769）的持续资助下，我们还发现：TE的过表达植株具有明显的短根表型，暗示TE也参与水稻根发育；TE与根生长关键促进因子OsSHR1互作，并通过蛋白酶体途径促进后者降解；遗传分析结果显示，OsSHR1位于TE下游；水稻ABA合成基因OsABA1敲除突变体具有明显短根表型，显示ABA正调控根生长；进一步分析显示，ABA通过激活SnRK2s使TE磷酸化来抑制APC/CTE活性，磷酸化的TE与OsSHR1或MOC1之间的互作减弱，进而稳定OsSHR1和MOC1蛋白，最终促进根生长和分蘖。与之相反，GA可以降低SnRK2s活性，进而促进APC/CTE介导的OsSHR1和MOC1的降解，最终抑制根生长和分蘖。相关研究结果本人作为第一作者兼共同通讯作者发表在2020年6月出版的The Plant Cell杂志上。.这些研究发现提高了我们对水稻分蘖（植物分枝）调控网络的认识。