水稻穗发育关键基因PDF1的克隆及其响应温度调控的分子机制研究

Proper development of panicle is crucial for the formation of yield in rice, which usually can be affected by the external environment, for example, temperature. Up to now, some genes determine the formation of rice panicle have been cloned. However, the underlying mechanisms of panicle responding to temperature is not well elucidated so far. We identified a rice mutant, panicle development failure1 (pdf1), which shows normal initiation of panicle while developmental retardation appears in the later stages due to cell death in panicle axis. The panicle development of pdf1 is especially damaged under high temperature but less affected in low temperature condition. Genetic analysis indicated that pdf1 is a recessive gene. We have narrowed down PDF1 into a 417 kb physical region on chromosome 5 of rice. Here, we propose to clone the PDF1 gene and elucidate its function on the regulation of panicle development, as well as its response to temperature. The study will broaden our understandings of the molecular control of panicle development in rice, and will shed light on the response of plant to temperature to adjust development of panicle, and will have helpful to guide genetic improvement and production of high yield in rice.

水稻穗的发育是产量形成的基础，易受温度等环境条件的影响。目前已克隆多个穗形决定的相关基因，但对穗发育响应温度调控相关分子机制的报道较少。我们在前期研究中筛选获得了一份穗发育受阻突变体pdf1，其前期营养生长完全正常，穗分化也能正常起始，但在发育过程中由于穗轴细胞死亡导致穗发育受阻；该突变性状受温度调控，在高温下易发生穗死亡，而在较低温度下则能发育成穗。遗传分析表明该突变性状受隐性单基因控制，已将目标基因初步定位于第5号染色体417kb的物理区间内。本项目拟在此基础上，对PDF1基因进行精细定位和克隆，并对温度参与调控PDF1介导水稻穗发育的分子机制进行深入解析。相关研究可为深入研究水稻穗发育及其响应温度调控的分子机理提供理论依据，对指导遗传改良和水稻生产也有重要意义。

水稻穗的发育是产量形成的基础，同时易受温度等环境条件的影响。目前已克隆多个穗形决定的相关基因，但对穗发育响应温度调控相关分子机制的报道较少。从粳稻品种‘武香粳9号’组织培养后代中筛选获得一份幼穗发育异常的突变体pdf1 (panicle development failure 1)。突变体pdf1前期营养生长完全正常，能从营养生长向生殖生长转换，穗分化能正常起始，但随后穗轴基部细胞出现程序性死亡，引起穗发育停止。通过伊文思蓝染色、透射电镜观察细胞超微结构、RNA变性凝胶电泳、TUNEL法检测幼穗组织样品细胞凋亡情况，以及细胞程序性死亡标记基因的表达变化，表明突变体pdf1细胞可能发生了程序性死亡，而导致穗坏死。遗传分析表明该突变性状受隐性单基因控制，将PDF1基因定位在分子标记LInD10-305和RP249之间约800Kb的物理区间内。利用全基因组重测序技术在此定位区间内锚定了一个潜在的候选基因，连锁分析显示该候选基因与突变性状完全连锁，这就暗示潜在的候选基因就是目的基因。针对该候选基因，利用CRISPR/Cas9基因靶向敲除，互补和过量表达，初步证实该候选基因LOC_Os10g29650就是目的基因PDF1。不同生长条件处理试验表明，pdf1突变性状受温度调控。该突变性状受温度调控，在高温下易发生穗死亡，而在较低温度下则能发育成穗。短日照和赤霉素处理对穗发育坏死现象无恢复作用。转录组测序显示差异表达基因主要参与DNA代谢过程、信号转导等过程，定位在质膜、过氧化物酶体等细胞器。代谢组测定显示差异代谢物主要涉及黄酮类、脂质、生物碱等代谢通路和次级代谢物合成。PDF1基因可能影响细胞信号通路基因差异表达，触发了过氧化物的过量积累，导致代谢通路和次级代谢物合成的紊乱，从而诱导细胞发生程序性死亡。相关研究可为深入研究水稻穗发育及其响应温度调控的分子机理提供理论依据，对指导遗传改良和水稻生产也有重要意义。