水稻OsMDAR基因应答高温胁迫的网络作用途径及其机制研究

High temperature is an important factor leading to the decrease in rice production，excavating the genetic potential of rice resistance to high temperature is an efficient way to solve the problem, the stomatal opening and closing mediated by hydrogen peroxide (H2O2) is an important way for rice in response to heat stress. The applicant found a loss-of-function mutant of rice monodehydroascorbate reductase gene OsMDAR in earlier stage, which conferred resistance to high temperature stress, all of these indicated that OsMDAR gene was a negative regulator of rice in response to heat stress, however, the specific regulatory mechanism remains to further study. Based on the above, we will take the osmdar mutant as the entry point, using technologies such as phenotype identification，transgenic technology，quantitative PCR, subcellular localization, scanning electron microscope, yeast one- or two-hybrid, Co-IP, etc., to analysis if OsMDAR gene will involve in regulating the stomatal opening and closing mediated by H2O2 in response to heat stress at seedling and heading stage, and elucidate the network pathways and regulation mechanism of OsMDAR gene. The research results can provide theoretical basis and technical storage for green cultivation and breeding of high temperature resistant rice, which has a great significance.

高温是导致水稻减产的重要因素，挖掘水稻自身抗高温的遗传潜力是解决此问题的手段之一，过氧化氢（H2O2）介导的气孔开闭是水稻应答高温胁迫的重要途径。申请者前期发现一个水稻单脱氢抗坏血酸还原酶基因OsMDAR的功能缺失突变体，表现出对高温胁迫的抗性，说明OsMDAR基因是水稻应答高温胁迫的负调控因子，但具体的调控机制还有待深入研究。据此，本研究以水稻osmdar突变体为切入点，采用表型鉴定、转基因、生理生化分析、qPCR、亚细胞定位、扫描电镜、酵母单双杂交、Co-IP等技术手段，解析OsMDAR基因在水稻苗期和抽穗期是否参与调控H2O2介导的气孔开闭来应答高温胁迫，并阐明其网络作用途径和调控机制。本研究的结果能为抗高温水稻品种的绿色栽培与选育提供理论依据和技术储备，因此具有重要意义。

单脱氢抗坏血酸还原酶，作为一种关键酶，它广泛参与植物的生长、发育及对于逆境胁迫的响应，并且可以通过抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统来维持植物体内抗坏血酸的水平。高温会对植物体内包括抗坏血酸-谷胱甘肽循环在内的一系列细胞组分和代谢过程产生影响。但是关于单脱氢抗坏血酸还原酶在水稻抵抗高温胁迫过程中的具体作用机制还不清楚。本项目针对水稻中一个定位于叶绿体的单脱氢抗坏血酸还原酶OsMDHAR4展开研究。OsMDHAR4基因在所取组织中均有表达，在剑叶的叶片中表达量最高。OsMDHAR4基因对于多种逆境胁迫均有响应，其中对于高温处理的响应程度相对较强一些。与野生型相比，osmdhar4突变体对于高温胁迫的抗性增强，而OsMDHAR4过量表达株系则对高温胁迫更加敏感。另外，我们还发现抑制OsMDHAR4基因的表达可以促进水稻叶片中气孔关闭和过氧化氢的积累，过量表达OsMDHAR4则会增加气孔的张开，降低过氧化氢含量。以上结果说明OsMDHAR4通过调节过氧化氢介导的气孔关闭来负调控水稻的耐热性。干旱是限制植物生长和发育的主要非生物胁迫之一。14-3-3蛋白已被证实可以调控植物体内很多的生物学过程。有研究表明OsGF14b在水稻穗瘟和叶瘟抗性中发挥着不同的作用。在本项目资助下，我们又研究了OsGF14b在水稻抗旱过程中所发挥的功能。我们发现OsGF14b基因可以被土壤干旱胁迫强烈诱导。与野生型相比，gf14b突变体通过改变逆境相关生理指标的含量提高了对于干旱和渗透胁迫的抗性，而OsGF14b过量表达株系对干旱和渗透胁迫更加敏感。gf14b突变体对脱落酸比较敏感，过表达株系刚好相反。除此之外，在正常生长和（或）干旱处理条件下突变和过表达OsGF14b会改变逆境胁迫相关基因的表达。以上研究增加了我们对于水稻应答高温和干旱胁迫分子机制的认识，并且有利于在作物育种过程中通过基因工程手段提高耐热性和抗旱性。.