水稻淀粉合成调控基因RSR2和RSR3的作用机制研究

As the predominant component of milled rice, the physicochemical properties of starch determine the eating, cooking, and milling qualities of rice. As a complex metabolic pathway, the regulation of starch biosynthesis is still poorly understood. We here present the identification of candidate regulators for starch biosynthesis by gene coexpression analysis in rice (Oryza sativa).Among these genes, RSR2 and RSR3 (Rice Starch Regulator2, 3) were found to positively regulate the expression of starch synthesis genes, and each of them deficiency results in the decreased expression of starch synthesis genes in endosperm. Seeds of the knockout mutant rsr2 and rsr3 show altered amylose content and amylopectin structure, resulting in the altered starch granules and decreased gelatinization temperature. Functional studies of RSR2 and RSR3 will reveal genetic regulatory mechanism of starch biosynthesis, and provide informative clues to facilitate the improvement of rice quality and nutrition.

淀粉是水稻胚乳的主要组成成分，其含量和结构直接影响水稻种子的重量和品质，对淀粉合成代谢调控分子机制的阐明具有重要的科学意义，也有助于水稻品质的改良。目前的研究主要集中在淀粉合成基因的作用，对淀粉合成途径的调控，特别是合成代谢整体的调控机制仍了解较少。我们利用基因共表达的分析方法，以淀粉合成基因为指导基因获得了一批可能参与调控整体淀粉合成的候选基因，初步研究发现RSR2和RSR3 (Rice Starch Regulator2/3)缺失突变体种子胚乳淀粉合成酶基因的表达下调，种子中淀粉的理化性质发生明显改变。本研究拟基于前期工作基础，综合利用分子生物学、细胞学、功能基因组学和遗传学等手段，系统研究RSR2和RSR3调控淀粉合成的作用及其机制，鉴定相关互作蛋白和下游调控基因，结果将有助于解析淀粉合成调控网络，并为水稻优质淀粉新品系的培育提供线索。

淀粉作为水稻胚乳的主要组成成分，其含量和结构直接影响着水稻种子的产量和品质。本项目利用基因共表达和种子发育差异表达基因分析等方法鉴定到多个参与水稻淀粉代谢调控的重要基因。研究发现RSR2和RSR3(Rice Starch Regulator2/3)缺失突变体种子中淀粉的理化性质发生明显改变；RSR4-Cas9转基因材料种子中总淀粉含量降低，可溶性糖含量增加，种子的休眠性改变。在此基础上，综合利用分子生物学、细胞学、功能基因组学和遗传学等手段，对RSR2/3/4调控淀粉代谢的作用机理进行了深入研究。结果表明RSR2作为CCR4-NOT复合体组分NOT2，通过与复合体其他成员互作参与调控淀粉合成酶基因mRNA的代谢从而影响酶的含量最终导致淀粉含量和结构改变。而RSR3作为F-box蛋白可能通过影响淀粉合成酶的降解参与淀粉合成调控。RSR4编码一个GA2氧化酶，通过影响活性GA含量调控种子中淀粉代谢与可溶性糖的含量，进而影响ABA信号，从而调控种子的休眠。以上结果为深入了解淀粉代谢的调控网络提供了重要线索，并为水稻品质改良和分子育种提供了理论基础。