水稻类泛素E3连接酶OsSIZ对磷素的响应及调控

通过水稻转基因和酵母、蛙卵等异源表达体系等技术途径，我们已明确水稻基因组中多个Pht1磷转运蛋白的功能和表达调控特征，其中多数成员受转录因子OsPHR2的调控。而类泛素化翻译后修饰过程中的重要成员SIZ（类泛素化E3连接酶），有可能翻译后修饰调控PHR2等磷素响应转录因子。本项目将运用报告基因标记检测以及组织原位杂交技术，研究不同磷素条件下水稻OsSIZ1和OsSIZ2基因的时空表达特征；利用OsSIZ1/2超表达、OsSIZ1/2单、双突变体及其回补水稻转基因材料，采用生理生化、分子生物学手段，从转录和翻译后两个层面上研究OsSIZ1和OsSIZ2对磷素的响应及调控。以期阐明OsSIZ对磷素响应的生理功能，明确OsSIZ修饰调控下游基因（转录因子）的作用机理。本研究成果不仅为揭示类泛素化翻译后修饰调控磷素响应机理提供必要和充分证据，而且将拓展植物中磷信号网络调控途径。

近年来，模式植物拟南芥E3连接酶AtSIZ1参与到缺磷调控的分子机制和调控氮的同化作用中的研究相继报道。通过拟南芥SUMO化修饰E3连接酶基因AtSIZ1在水稻基因组数据库中找到两个同源基因，命名为OsSIZ1和OsSIZ2。利用OsSIZ1组织定位材料、OsSIZ1和OsSIZ2的基因缺失突变体及OsSIZ2的RNAi干扰材料研究了OsSIZ1和OsSIZ2在水稻生长发育及磷素和氮素的吸收、转运及分配中的功能。主要研究结果如下：1. 通过定量PCR检测及组织定位材料的分析，发现OsSIZ1和OsSIZ2呈组成型表达，并且OsSIZ1表达丰度高于OsSIZ2。OsSIZ1和OsSIZ2在转录水平上对缺磷响应不明显，但OsSIZ2叶片中缺氮诱导上调。2. OsSIZ1和OsSIZ2的缺失严重影响了水稻的生长和发育。主要影响种子的萌发，水稻花药壁的开裂和花粉活性以及种子的形状。OsGS3可能是影响突变体ossiz1和ossiz2种子长度的主要基因。另外，OsSIZ1和OsSIZ2的突变对株高、分蘖数、穗长、穗分枝数等都有所影响。3. 缺失OsSIZ1和OsSIZ2后水稻体内的磷和氮含量显著提高，ossiz1与ossiz2相比提高幅度更加明显。OsSIZ1和OsSIZ2的缺失都增强了磷素从根向地上部的转运，但OsSIZ1可能影响了磷的分配，而OsSIZ2则不影响。4. OsSIZ1突变可能衰减了对低磷的分子响应。如OsIPS1、OsSPX1/2、OsPT2/3/4/6等的表达在ossiz1中受到抑制。OsSIZ2可能通过正调控OsPHR2来调控下游基因的表达。另外，OsSIZ1和OsSIZ2的沉默导致水稻体内磷浓度的升高可能是由于OsPT8的表达上调引起的。ossiz1中硝酸还原酶Nia1和Nia2和谷氨酰胺合成酶GS1.1和GS1.2的表达上调，NH4+转运蛋白OsAMT1.1的表达上调。而ossiz2和OsSIZ2-RNAi 中OsNRT1.5、OsNRT2.4 和OsAMT1.1的表达都也有所上调。说明OsSIZ1和OsSIZ2突变影响了水稻体内氮的代谢和吸收。研究还发现OsSIZ1和OsSIZ2可能不冗余。目前在作物中有关SUMO化修饰的养分吸收利用的研究还未见报道。本研究结果可为改善作物对磷、氮养分的吸收利用及通过生物技术改善稻米营养品质提供基础。