基于PS和CFO1的水稻花器官特征基因调控网络研究

Now the focus of floral development changes from gene clone to gene regulation. A floral organ specification gene regulatory network (FOS-GRN) model has been proposed in Arabidopsis while there is still a superficial understanding of rice FOS-GRN. With the supports from previous NSFC projects, we characterized two regulation factors of floral organ identity in rice, PS and CFO1, which probably regulated the expression of SPW1 and DL, two key rice floral organ specification genes. However, the molecular mechanism still remains unclear. In this project, we plan to clarify the molecular regulation net among PS, CFO1, SPW1 and DL by a series of methods of genetics and biochemistry, such as double/multiple mutants analysis, expression pattern analysis, protein interaction analysis and protein-DNA interaction analysis. Therefore, this project has significance for the establishing the FOS-GRN in rice and even grasses.

当前，花发育的研究焦点开始从相关基因的克隆转向基因的表达调控。基于大量的分子证据，人们已经在拟南芥中建立了比较深入的花器官特征基因调控网络 (FOS-GRN)，而关于水稻FOS-GRN的研究还比较少见，目前仅有的研究也表明水稻和拟南芥之间的FOS-GRN有很大差异。在先前的三个国家自然科学基金项目中，我们鉴定了两个关键的水稻花器官特征发育调控因子PS和CFO1，并初步推测它们可能参与了水稻花器官特征基因SPW1和DL的表达调控，然而目前还不清楚这种调控作用的分子机制。在本项目中，我们计划利用目的基因的各种单/双/多突变体及异位表达植株，通过精细的表型和表达模式比较分析、基因互补分析、蛋白质互作分析和蛋白质与DNA的结合分析，以期解析PS、CFO1、SPW1和DL基因之间的分子调控网络。该项目的实施对于水稻乃至禾本科物种的FOS-GRN研究具有重要的意义。

花发育的研究焦点已经从基因克隆转向表达调控。基于大量的分子证据，人们已经在拟南芥中建立了比较深入的花器官特征基因调控网络 (FOS-GRN)，而关于水稻FOS-GRN的研究还比较少见。本项目中，我们利用各种单/双/多突变体及异位表达植株，通过精细的表型和表达模式比较分析、基因互补分析、蛋白质互作分析和蛋白质与DNA的结合分析， 最终确定了两条水稻内轮花器官特征发育调控途径。1、SL1—SPW1—DL调控途径：SL1直接结合到SPW1基因启动子上，激活SPW1基因的高水平表达，而SPW1的主要功能是通过抑制DL基因在雄蕊中的异位表达从而维持雄蕊的特征发育；当SL1基因功能缺失后，SPW1仅能维持本底水平的低表达，不能有效地抑制DL基因的异位表达，DL在雄蕊原基中异位表达后导致OsMADS2/4基因的表达下调，从而引起雄蕊向雌蕊的同源异型转变。2、CFO1/OsMADS2/4/6—DL调控途径：CFO1基因和其他MADS-box基因OsMADS2、OsMADS4及OsMADS6互作，从而形成异源多聚体去抑制DL基因在内稃边缘及浆片中异位表达；当CFO1基因功能缺失后，DL基因在内稃边缘及浆片中“部分”异位表达，从而“部分”抑制了B功能基因OsMADS2/4/16的表达，形成各种嵌合器官。所以，SL1—SPW1—DL主要在雄蕊中抑制DL基因的异位表达，而CFO1/OsMADS2/4/6—DL调控途径主要在内稃边缘及浆片中抑制DL基因的异位表达。这两个调控途径相对独立，但是相互互补，共同将DL基因的表达限定在外稃和雌蕊中，从而在维持水稻内轮花器官正常特征发育中发挥重要的作用。该结果为人们理解DL基因在花器官.在水稻的花器官特征发育调控中，DL基因在外稃中脉和雌蕊中特异表达并调控它们的特征发育，而在其他花器官中不表达。DL基因的表达和功能横跨第1轮和第4轮，而缺位于中间的其他花器官，这是非常独特的，也正是水稻花器官特征能正常建立的关键；本项目的结果为这种独特表达模式的分子调控机理作出了关键合理的解释，开启了水稻FOS-GRN建立之门。