OsCBL1-OSCIPK18在应答硝酸盐信号调控水稻根系发育中的功能及其分子机理研究

It is of great significance to study the root development and the efficient use of nitrogen to achieve the high yield and efficient ecological goal of rice production. CBL-CIPK pathway is one of the important ways to participated in the response of plant to external stimuli. We found that down regulation of OsCBL1 and its interacting protein OsCIPK18 gene expression inhibited rice lateral root growth and reduced auxin content in root. And the root development and auxin distribution and content were significantly different between the wild type rice and OsCBL1-Konckdown or Oscipk18 mutant rice in different concentration of nitrate. In addition, OsCBL1-Knockdown and Oscipk18 mutant rice production did not decrease under low nitrogen conditions. In this project, we propose to intensively study the difference between wild type rice and OsCBL1-knockdown or Oscipk18 mutant rice in root growth and auxin signal distribution in different nitrate culture conditions, transcriptome and phosphorylated proteome, rice production and nitrogen use efficiency under different fertilization conditions. The implementation and completion of this project will clarify the function of OsCBL1-OsCIPK18 in rice root developmental regulation and nitrogen use efficiency, which provide the theoretical basis for cultivating new rice varieties with “less input, more production and better environment”.

研究根系发育与氮素高效利用对实现水稻高产高效生态目标具有重要的意义。CBL-CIPK通路是参与植物对外界刺激信号响应调控的重要途径之一。我们前期研究发现，OsCBl1及其互作蛋白OsCIPK18基因表达下调，抑制了水稻侧根生长，降低了根部生长素含量。同时，在不同浓度的硝酸盐中，OsCBL1表达量下降的转基因植株和OsCIPK18突变体根系发育，根部生长素含量和分布，与野生型相比差异明显。此外，降低施肥后，2个基因表达下调转基因植株产量并未减少。本项目将通过观察和检测，不同浓度硝酸盐培养下，OsCBL1和OsCIPK18各转基因植株根系发育，生长素含量及分布，比较突变体与野生型水稻磷酸化蛋白质组及转录组差异，以及不同施肥条件下转基因植株的产量及氮素利用效率，明确OsCBL1-OsCIPK18在水稻根系发育调控和氮素利用中的功能，阐明其相应机理, 为培育减肥不减产生态型水稻新品种提供理论依据。

研究根系发育与氮素高效利用对实现水稻高产高效生态目标具有重要的意义。NO3-不仅是植物生长所需的重要营养物质，也是重要的信号分子。NO3-作为信号分子如何被植物感知并调节植物生长发育尚不明确。本项目中，我们首先对OsCBL1-OsCIPK18的表达模式，蛋白的亚细胞定位进行了分析，发现OsCBL1在水稻不同组中均有表达，无组织特异性；而OsCIPK18也在水稻根，叶和花中均有表达，相对于根，该基因在叶和花中的表达更高。OsCBL1主要定位于细胞质，而OsCIPK18主要分布于细胞核和细胞质。我们利用不同浓度NO3-盐及不同氮素形式的培养液，对各转基因遗传材料进行了处理，发现与野生相比，OsCBL1表达下调和OsCIPK18突变体植株转基因株系内NO3-含量并未发生变化，但是植株根系的生长受到影响，而且响应NO3-信号的Marker 基因也发生了显著的变化，这一结果表明OsCBL1及其互作蛋白激酶OsCIPK18通过调控体内NO3-信号的传导影响水稻根系生长。我们对在不同培养条件（0mM，0.2mM和2mM NaNO3培养液）下生长的的野生型和OsCBL1-KD以及Oscpik18突变体的幼根进行转录组测序和磷酸化蛋白质组测序。转录组数据表明，在三种培养条件下，Oscpik18突变体中相对野生型表达上调或者下调的基因中，有较大的比例（63.7%、60.9%和46.8%）在OsCBL1-KD中也分别上调或者下调，进一步说明OsCBL1和OsCIPK18组成一个模块调控下游基因表达。在磷酸化差异蛋白中，有17个同时在OsCIPK18蛋白酵母双杂交侯选蛋白中存在，为我们进一步深入研究提供了基础。此外，通过武汉和海南的田间实验发现，在降低施肥及低氮肥田间，OsCBL1 表达量下降的转基因植株和OsCIPK18 突变体产量不减反而增加，表明OsCBL1-OsCIPK18模块在氮素营养高效利用中具有较大的潜力。