水稻F-box蛋白SFC通过泛素化降解途径调控气孔图式发育

Stomata are gas exchange channels between plants and environment. They regulate efficiency of photosynthesis and water use in planta. Stomatal development represents an ideal model system for studying pattern formation and cell division and differentiation. Great advancement has been achieved in studying the regulatory mechanism of stomatal development in dicots. However, the signaling pathway of stomatal development in monocots is poorly understood. We have obtained the first loss-of-function mutant sfc with defective cell-fate determination and cell division in stomatal lineage in rice. SFC gene encodes a protein belonging to an F-box family, which is specifically identified in monocots. In this proposal, we propose to elucidate the function of SFC in cell-fate determination of stomatal lineage cells in monocots. To identify the direct targets of SFC in stomatal development, we plan to carry out cDNA library screening, co-IP/MS assay, and genetic analyses. Once the targets are identified, we will perform research on their ubiquitination and degradation mediated by SFC, and finally reveal the crucial function of this pathway on stomatal lineage cell polarity establishment and cell-fate determination in rice. These studies are critical for uncovering the molecular mechanisms of stomatal development in monocots, which will provide strategies for our future crop improvement for better adaptation in adverse environmental conditions.

气孔是植物与外界环境进行气体交换的主要通道，调节植物的光合作用和水分利用，其发育过程是研究图式形成和细胞分裂分化的理想模型。双子叶植物气孔发育的调控机理己经取得了重要进展，但是，单子叶植物气孔发育信号通路的研究却非常有限。我们筛选到水稻中首个气孔系细胞命运决定紊乱、细胞分裂异常的功能缺失突变体sfc，该突变基因编码一个单子叶植物特有的F-box蛋白家族成员SFC。本项目以该突变体为切入点，通过研究SFC在气孔发育过程中的功能，阐明其在单子叶气孔系细胞命运决定中的作用；利用文库筛选、质谱分析、遗传分析等方法寻找SFC下游参与气孔发育的靶蛋白，对其进行蛋白质泛素化降解研究，揭示SFC介导的泛素化-蛋白降解途径在水稻气孔系细胞的极性建立和命运决定中的关键作用。本研究不仅对揭示单子叶植物气孔发育的调控机制具有重要意义，而且在提高农作物的逆境适应方面也有重要的应用前景。

气孔是植物表皮上的小孔，是植物和外界环境进行气体交换的主要通道，研究气孔发育在提高农作物的产量和逆境适应方面有重要的应用前景。人们对禾本科植物气孔发育的调控机制还知之甚少。.项目鉴定到一个水稻气孔发育缺陷的突变体sfc，其编码的F-box蛋白基因功能缺失造成了气孔缺陷的表型。生物信息学分析发现SFC在水稻基因组中有两个同源基因SHP1和SHP2，该家族基因在幼嫩的叶片中表达。构建功能缺失突变体和超表达材料发现SHP2也参与水稻气孔发育。酵母文库筛选得到SFC的相互作用蛋白OsRBP2，超表达OsRBP2会导致气孔副卫细胞畸形、表皮细胞变光滑。但sfc突变体中OsRBP2蛋白并没有明显的积累，表明OsRBP2并不直接受SFC泛素化降解。仔细研究发现sfc气孔列内细胞命运紊乱，第一次不均等分裂后本不该具有GMC命运的长细胞也获得了GMC命运，这可能与OsMUTE有关，故此准备通过遗传和分子标记，进一步深入研究SFC调控水稻气孔命运转变的功能。为了进一步解析SFC在水稻气孔发育中的功能，我们构建了水稻气孔发育信号转导网络。首次发现GRAS家族转录因子OsSCR1/2和OsSHR1/2调控水稻气孔列的起始，OsSCR基因的转录受OsSPCH与OsMUTE的激活；bHLHⅠa家族OsSPCH1/2、OsMUTE和OsFAMA分别调控水稻气孔发育的起始、GMC分裂方向和气孔的分化；bHLHⅢb家族OsICE1/2调控气孔发育的起始；OsFLP调控保卫细胞母细胞分裂方向。还发现OsRBP1/2和OsSCR1/2直接相互作用，通过影响OsPAN2的表达调控副卫细胞母细胞不均等分裂。发现RSD1和OsSDD1可以调控水稻气孔列和气孔列内的图式发育。.总之，在本项目的支持下，我们初步构建了禾本科植物气孔发育的遗传调控网络，发现了一些关键的调控因子，开启了OsSCRs/OsSHRs调控水稻（单子叶）气孔发育的机理研究；还建立了禾本科植物气孔图式发育研究的标准，为禾本科植物（水稻）气孔发育研究奠定了坚实的基础，完全实现了研究目标。.在本项目的资助下，在植物学国际主流刊物上发表SCI论文6篇，中文核心期刊1篇，包括2篇New Phytologist、1篇Plant Physiology；毕业研究生17名，其中硕士生11名，博士生6名；项目负责人于2018年被聘为“长江学者奖励计划”特聘教授。