光敏色素B基因介导籼-粳稻分化的机理研究

Phytochrome B (phyB) is the main red photoreceptor, which can not only control the development of leaf angle, tiller number, plant height, and fertility, but also can improve abiotic stress tolerance. However the role of phyB in domestication has not been reported..Using the database from 3K Rice Genome Project, we analyzed PHYB haplotypes among about 3000 variation accessions. Two types of PHYB haplotypes, named as HAP1 type and HAP3 type were identified, which are coincidence with varieties of indica and japonica respectively. Thus, it was deduced that PHYB was likely subjected to selection during breeding program and plays important role in differentiation between Indica and Japonica subspecies. In this project, we intend to clarify the functions of different PHYB haplotypes and the role of PHYB gene in indica-japonica differentiation using the following methods: 1) Test the sensitivity of rice varieties with different PHYB haplotypes to red light; 2) Compare expression levels of PHYB gene at both transcriptional and translational levels between different varieties of PHYB haplotypes; 3) Explore the function of the different PHYB haplotypes in photosensitivity to red light and photomorphogenesis in rice by means of genetics approaches. The results from this study provide an important scientific basis for elucidating the adaptive mechanism of rice, cultivating rice varieties adapted to different latitudes, and providing important information for the precise regulation of rice heading date.

我们前期研究表明，水稻光敏色素B基因（PHYB）影响叶角、分蘖数、抽穗期、育性和对逆境的适应能力，但是PHYB在水稻驯化方面研究尚未有报道。我们利用3000 份水稻全基因组重测序数据库分析了PHYB的单倍型，发现PHYB基因编码区的SNP信息可以将PHYB单倍型可以分为2种，分别主要存在于籼稻和粳稻中，据此推测PHYB基因在籼-粳稻分化中具有重要作用。在本项目中我们拟采用以下方法阐明PHYB不同单倍型的功能及其在籼-粳稻分化中的作用：1）分析PHYB单倍型与籼-粳稻之间的关系；2）检测不同PHYB单倍型水稻品种的红光敏感性；3）检测不同PHYB单倍型水稻品种中PHYB基因转录和蛋白水平；4）通过遗传学途径阐明不同PHYB单倍型的在水稻光敏感性和光形态建成中的功能。本项目研究成果为阐明水稻的适应性机制，培育适应于不同纬度的水稻品种提供重要科学依据，同时也为精确调控水稻花期提供重要信息。

高等植物利用光敏色素（phytochrome，Phy）感受红光/远红光，参与调节植物从种子萌发到果实成熟的多个发育过程，如水稻的光敏色素B（phyB）影响叶角、分蘖数、株高、抽穗期、育性、光合速率和对逆境（如低温）的适应能力等重要农艺性状。因此对水稻phyB 介导的光信号传导途径的研究不仅有助于揭示光信号调节植物生长发育的机理，而且对水稻等农作物相关性状的改良提供理论依据。.利用水稻3K数据库对PHYB基因编码区的SNP 信息进行了分析，发现主要存在2 类PHYB 单倍型（HAP1 型和HAP3 型），通过结构预测发现两种单倍型编码的PHYB蛋白质在结构上存在差异，可能影响其功能。通过统计3K数据库中不同单倍型品种中籼粳稻品种数量发现，PHYB不同单倍型可能与籼-粳稻分化相关，其中籼稻主要为HAP1型，粳稻主要为HAP3型。野生稻PHYB基因分析及驯化检测初步揭示了两种单倍型起源于不同的野生稻，并受到明显的人工选择。不同单倍型地理纬度分析表明不同单倍型与籼粳稻的地理分布相一致。上述结果初步证实PHYB不同单倍型与籼粳分化密切相关。.我们随机选取不同单倍型品种，进行了红光敏感性实验，结果表明两种单倍型水稻品种对红光敏感性具有显著差异，HAP3型（粳稻型）phyB对红光的敏感性高于HAP1型（籼稻型），说明PHYB 单倍型与水稻的光敏感性具有关联性。进一步分析发现，不同单倍型PHYB的表达水平差异并不显著，推测是蛋白结构影响了功能。我们构建了不同单倍型PHYB基因的植物表达载体，并转化phyB功能缺失突变体，获得了纯合转基因株系。通过红光敏感性分析、叶绿素含量分析，叶角大小分析以及农艺性状调查，证实HAP3型PHYB能够完全恢复phyB突变体表型，但是HAP1型PHYB仅能部分恢复phyB突变体的表型。上述结果表明HAP3型phyB具有更强的红光敏感性，这种对红光的敏感性可能导致籼-粳分化或籼粳稻的不同维度分布。我们的研究结果为揭示籼-粳稻分化的机制提供了新的思路。