环境敏感型水稻突变体(esm1)表型分析及基因功能研究

Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important crops in China. However, the improvement of rice yield is vulnerable to environmental changes (including biotic and abiotic stress). Therefore, the research on mechanism of gene and environment (especially the abiotic stress) interaction may provide an effective tool in improving crops environmental adaptability. Based on the natural environment difference between Beijing and Hainan, we characterized a rice mutant, which is designated as environmental sensitive mutant 1 (esm1). We are willing to use various molecular and genetic methods to uncover the "gene-environment" interaction mechanism, which could be used on enhancement of rice environmental adaptability.

水稻(Oryza sativa L.)是我国重要的粮食作物之一。但是自然环境的变化严重影响着水稻产量的稳定或提高。对水稻环境影响因素主要包括两类：生物因素和非生物因素。因此对水稻与环境(特别是非生物因素)之间互作机制的研究对提高水稻环境适应性有重大促进作用。本课题在前期工作中，利用北京和海南两个地区存在的天然环境差异，筛选出一个性状稳定的环境敏感型突变体esm1(environmental sensitive mutant 1)。本项目计划利用各种分子生物学手段克隆基因、明确“基因-环境”的互作机理，从而揭示其在环境适应性方面的重要作用。

水稻的生长发育受到诸多环境因子的影响，主要包括各种生物和非生物胁迫，我们通过将3000份水稻EMS诱变株系（粳稻品种ZH11为背景）分别在海南和北京种植，筛选到一个环境敏感型突变体esm1，该突变体在海南种植时呈现植株矮化、单分蘖和不育的表型，而在北京种植时其生长发育与野生型无显著差异。通过图位克隆、遗传互补和CRISPR/Cas9基因编辑的方法确定ESM1基因的突变是导致esm1突变体在海南种植时呈现严重生长发育缺陷的原因。Real-time PCR和 GUS报告基因表达谱分析显示ESM1在水稻茎、叶片和根的维管束中表达。海南和北京土壤营养元素含量测定及在温室中利用海南和北京土壤培养水稻并进行表型观察，结果显示土壤高铁毒害是导致esm1突变体在海南种植时产生表型的原因，进一步的水培实验也证实了该结论。转录组测序和NBT染色结果显示，高铁情况下超氧根离子的不能有效清除可能是esm1突变体光系统受损的直接原因。ESM1基因功能的解析和遗传资源的挖掘不仅为培育高铁耐受新品种提供重要理论依据，同时也具有实际生产意义。