水稻OsMADS32基因调控花器官发育的遗传和分子机理解析

MADS-box transcription factors play important roles in plant development, which are also key regulators in inflorescence and spikelet development of cereal crops, such as rice, maize and barley and so on. As one of the hot research topic, scientists always want to understand the evolutionary relationship between the sequences change of MADS-box genes and flower diversity in Angiosperms. MADS32-like genes belong to specific MIKCC subfamily of type II MADS-box genes, but the evolution and function study of this unique subfamily is still rare. In this research, double mutant between OsMADS32 and B-, C-, D-, E-class homeotic genes in rice flower development will be identified based on our previous study. We will perform genetic, bioinformatics, biochemical and transcriptome study to understand some basic biological questions including the genetic and molecular relationship between OsMADS32 and B-, C-, D-, E-class homeotic genes; the protein structure of OsMADS32 and the evolutionary mechanism of MADS32-like genes in plant development.

MADS-box转录因子在调控被子植物发育过程中起着重要的作用，也是水稻等栽培作物花序和花器官发育和形态建成的关键调控因子之一；其序列进化与花器官形态多样性建成的关联性研究也一直是被子植物花器官形态进化分子机理研究的热点对象之一。MADS32类基因是MADS-box转录因子MIKCC型中单独的一支，但人们对该家族基因的进化史及功能知之甚少。本项目将利用OsMADS32基因，以及B类、C类、D类和E类转录因子的突变体，围绕OsMADS32调控水稻花器官发育的遗传网络、OsMADS32调控水稻花器官发育的分子网络、OsMADS32蛋白作用的生化机制研究和MADS32类转录因子的功能进化分析等几个生物学问题，进行遗传学、分子生物学、生物化学和比较基因组学等方面的深入研究，以期解析OsMADS32调控水稻花器官发育的遗传和分子机理。

小穗是水稻等作物产量形成的基本结构单元，它的发育是生殖发育生物学和作物育种学研究的热点。本项目以OsMADS32为研究对象，围绕它与水稻ABCDE类转录因子的遗传和分子互作、基因调控网络等开展了深入分析，研究主要成果包括：在遗传和分子水平证明OsMADS32是一个具有E类功能的、演化过程中在双子叶植物基因组丢失的MADS家族转录因子，它与B、C、D和E类蛋白协同互作，调控水稻花器官的内稃、浆片、雄蕊和雌蕊等各轮器官原基的起始；与OsMADS6和C类蛋白形成多聚体来调控花分生组织的活性维持，并起到抑制花序分生组织在花器官发育中逆转的作用。OsMADS32在内稃边缘组织特异表达，与OsMADS6基因协同调控内稃边缘组织的快速细胞分裂分化；而且这一调控在内稃主体区受TCP类转录因子REP1的抑制；因此，OsMADS32、OsMADS6和REP1均参与内稃细胞分裂分化分子网络的调控，但OsMADS32和OsMADS6起到是加速细胞周期，限制组织边界的作用，REP1起到的是促进分裂分化，扩张组织边界的作用；它们分别在内稃边缘和主体区发挥功能，调控内稃特有的形态建成发育。在转录水平上，OsMADS32基因利用其EAR功能域，抑制自身和OsMADS6基因的表达水平和空间分布，起到精细调控蛋白表达水平和蛋白多聚体正确组装的功能。项目还筛选了多个受OsMADS32调控的侯选下游基因和互作蛋白，为后续研究奠定了基础。围绕小穗分生组织活性调控的分子机制这一生物学问题，项目还对OsMADS15、OsJMJ718和euAP2类转录因子的功能开展了初步的分析，发现水稻小穗分生组织活性受转录因子和植物激素信号的关联调控；茉莉酸在促进水稻小穗分生组织向花分生组织转化、花器官原基起始等发育过程中发挥着重要的作用。项目的部分研究成果在《J Exp Bot》、《Development》、《植物生理学报》和《植物学报》等期刊发表，并受邀请在《aBIOTECH》和《生命科学》期刊发表综述论文；本项目的执行也为后续开展水稻分生组织活性调控和花器官发育分子网络的研究奠定了坚实的基础。