水稻蛋白品质形成关键基因的功能研究

Glutelins are the major storage proteins in rice seeds. The content and composition of glutelins affects rice quality directly. Therefore, dissection of the molecular mechanisms underlying glutelin biosynthesis, transport and accumulation is of vital important for the improvement of rice protein quality. Glutelins are initially synthesized as 57 kDa precursors on the endoplasmic reticulum (ER). The precursor is then exported to the protein storage vacuole (PSV; also called protein body II, PB-II) where it is post-translationally processed into acidic and basic subunits. Any step in this process will resulted in the accumulation of proglutelins. Then, high glutelin accumulation mutants are good materials for analyzing this pathway. Previous study we have isolated and characterized a key factor GPA1/OsRab5a which is involved in post-Golgi trafficking in developing rice endosperm cells. Recently, 3 novel factors have been cloned, including GPA2/OsVPS9a, GPA3/OsKelch1, and GPA4/OsGot1. This project will try to elucidate the synergistic regulation mechanisms of these genes in glutelin trafficking, which will lay a foundation for elucidating the glutelin trafficking pathway. And in turn provides theoretical directions for further protein quality improvement in rice.

谷蛋白是稻米中最主要的储藏蛋白，其含量和组成直接影响稻米的品质。成熟谷蛋白的形成需要经过复杂的转运途径，任一过程的缺陷都有可能导致谷蛋白以前体的形式积累，所以前体增加突变体是研究谷蛋白转运、积累途径的优良材料。虽然谷蛋白前体增加突变体的报道并不鲜见，但鉴定出的基因相对较少。前期研究中我们筛选获得了20多个突变体，并克隆了谷蛋白成熟关键基因OsVPE1、谷蛋白后Golgi体运输关键基因GPA1/OsRab5a；最近我们又克隆了3个谷蛋白转运途径关键基因GPA2/OsVPS9a、GPA3/OsKelch1和GPA4/OsGot1，且OsVPS9a与OsRab5a、OsVPS9a与Oskelch1均互作。本研究将采用各种技术手段探讨上述基因各自参与调控谷蛋白转运及协同调控谷蛋白转运的分子机制，为最终阐明谷蛋白的合成转运积累途径奠定基础，为稻米的蛋白品质改良提供理论支撑。

蛋白质是稻米中主要的营养物质，其含量和组成直接影响稻米的各项品质指标。稻米中的储藏蛋白分为可消化的谷蛋白、球蛋白和不可消化的醇溶蛋白，其中谷蛋白约占60-80%，因此是稻米品质改良的首选目标。对谷蛋白合成转运的研究将有助于改良稻米的蛋白品质。本研究以两个谷蛋白前体增加突变体gpa3和gpa4为研究材料，通过系统的表型鉴定和后续基因克隆及功能研究，对谷蛋白ER输出和后高尔基分选两个关键节点有了深入的理解。gpa3来自白丰B辐射诱变突变体库，表现前体增加和粉质胚乳，详细的细胞生物学鉴定发现GPA3中谷蛋白被错误分选到胞外，形成大量的棒状的蛋白聚集体及壁旁体结构（paramural body，PMB）该结构中同时还包含大量的细胞壁物质pectin等，显示谷蛋白的后高尔基体分选存在缺陷。图位克隆显示该基因编码一个植物特有的Kelch-repeat domain蛋白。亚细胞定位表明GPA3定位于前液泡区室（Prevacuolar compartment，PVC）中，且GPA3能够与GPA2/OsVPS9A互作，GPA3-GPA2-GAP1形成功能性复合体，协同调控谷蛋白的后高尔基体运输。gpa4来自9311辐射诱变系，在gpa4的发育胚乳中大量积累类似拟南芥Mag body的异常结构：一个谷蛋白的核，并被醇溶蛋白聚集体包围。该结构由ER衍生，基因的突变造成谷蛋白在ER的大量滞留，导致严重的ER stress。GPA4编码一个Golgi-transport 1.B（GOT1B），细胞内定位于内质网输出位点（ER exit site, ERES），同时我们还发现GOT1B能够与介导蛋白ER-Golgi运输的COPII（coat protein complex II）的组分Sec23存在互作，突变不影响COPII组分的膜结合性，但却使COPII的cycling变慢，大量的COPII组分滞留于ERES。本研究进一步证实谷蛋白ER-Golgi的运输受COPII介导，且GOT1B通过调控COPII组装从而控制谷蛋白的ER输出。在项目的资助下，我们还新筛选获得一批新的谷蛋白分选突变体，并采用图位克隆的策略获得十多个谷蛋白分选关键基因，这些基因的功能解析将逐步构建谷蛋白分选的分子网路途径，为稻米的蛋白品质改良奠定良好的理论基础。