水稻花药发育关键基因TDR互作蛋白TIP1的分子机制研究

绒毡层的发育和程序性死亡是一个复杂的生理学过程，是植物花药和花粉粒正常发育的先决条件之一。绒毡层发育缺陷，特别是程序性死亡的紊乱通常导致花粉败育。目前对绒毡层发育和降解的分子机制了解得还很少，虽然之前已有一些重要的转录调节因子被克隆和报道，但这些调节因子的具体调控机制还不是很清楚。我们分离到一个水稻雄性不育突变体tip1，表型分析表明在该突变体中绒毡层的发育和降解出现异常，影响了小孢子的正常发育引起败育。通过图位克隆的手段分离到该突变基因，序列分析表明TIP1编码一个bHLH类转录因子。生化分析表明TIP1可以和另一个绒毡层降解调节因子TDR形成蛋白复合体。本项目拟在已有工作基础上，通过分析该突变体在绒毡层发育和降解中的生理生化变化，结合芯片分析等手段研究TIP1的功能和调控网络，并通过与TDR及其他关键因子的调控网络比较，阐明TIP1在花药发育及绒毡层降解过程中的分子作用机理和调控通路。

花药是高等植物的雄性生殖器官，是小配子花粉发育的场所。花药由4层壁细胞层构成，最内层绒毡层的正常发育和程序性死亡是植物花粉正常发育的先决条件之一。绒毡层发育和凋亡是是一个复杂的生物学过程，对这一过程的分子机制还知之甚少。虽然之前已有一些重要的转录调节因子被克隆和报道，但这些调节因子的具体调控机制还不是很清楚。之前的研究证明，bHLH类转录因子TDR是绒毡层细胞发育后期的程序性死亡过程的正调控因子。本项目对另一个在水稻花药发育过程中起重要作用的bHLH类转录因子TIP1/EAT1的功能进行了深入的分析，证明EAT1可以与TDR形成蛋白复合体来促进绒毡层的凋亡过程。EAT1可以直接调节2个天冬氨酸蛋白酶基因OsAP25和OsAP37的表达，通过OsAP25和OsAP37的蛋白酶活性来执行细胞程序性死亡的上游信号。本项目还对EAT1的上游转录调控因子、bHLH类转录因子TIP2的基因功能进行了深入的分析。花药壁的4层壁细胞分别来自L1和L2层，其中内三层壁细胞是由L2层初生壁细胞通过2次横向细胞分裂及随后的细胞分化过程形成的。在内三层营养细胞层分裂完成后，TIP2通过激活bHLH转录因子TDR的表达，并与TDR形成蛋白复合体促进绒毡层的细胞分化。在小孢子母细胞完成减数分裂后，TIP2促进第三个bHLH转录因子EAT1的基因表达，TDR与EAT1形成新的蛋白复合体调节绒毡层的程序性死亡过程。该项研究揭示了水稻花药中由三个bHLH蛋白TIP2, TDR和EAT1组成的级联调控体系，该体系在水稻花药壁细胞层分化、发育和降解等关键节点中起到转换开关的作用。本项目的研究工作为阐明水稻生殖发育过程的分子机制提供了新的认识。在项目执行期内，发表高水平研究论文2篇，获得授权国家发明专利1项。