RING finger类E3泛素连接酶OsPIS1及其底物蛋白调控水稻冠根发育的机制研究

Rice is one of the most important staple food crops in the world. Crown roots are the major components of the rice fibrous root system and play vital roles for rice growth， grain harvest yield, and abiotic stresses response. Protein degradation system is involved broadly in plant signal transduction, photomorphogenesis, organ development, and abiotic stress response pathways. RING (REALLY INTERESTING NEW GENE)-type E3 ligase is a protein family with diverse functions. The function of most of the rice homologues is not well known. The major goal of the present proposal is to characterize the function of rice RING-finger E3 ligase OsPIS1 and its substrate in regulating rice crown root development by using cell biology, molecular biology, biochemistry, and genetics approaches, and to further uncover the molecular mechanism of crown root development at the protein degradation level. The present proposal aims to decipher rice root development mechanism and to provide a theoretical basis for the genetic improvement of root morphological configuration to enhance rice resistance to advert stimuli to improve efficiency of utilization of nutrients such as nitrogen and potassium, and to increase grain yield.

水稻是世界上最主要的粮食作物。作为水稻根系主要组成部分的冠根对其生长发育、产量以及不良环境胁迫的响应等方面都起着十分重要的作用。植物中蛋白质的降解系统广泛地参与植物信号转导、光形态建成、器官发育和非生物胁迫响应等调控途径。植物中RING-finger家族的E3连接酶数量庞大且功能复杂，而水稻中的RING-finger类E3连接酶大多数功能还不是十分得清楚。本课题的主要研究目的是从细胞学、分子生物学、生物化学和遗传学角度解析RING-finger类E3泛素连接酶OsPIS1及其底物在水稻冠根发育中的生物学功能，期望从蛋白质水平揭示水稻冠根发育的调控机制，进一步为水稻根器官发育提供理论基础，为改善水稻根系的形态构型、发育状态，从而增加水稻对逆境胁迫的抗性，氮、磷等营养的高效利用和提高水稻产量提供理论依据和基因资源。

冠根是水稻根系的主要组分，是决定水稻生长发育、产量及对不良环境胁迫的重要器官。其发育调控机理的解析将会进一步揭示根器官在水稻生长发育以及对环境适应中的作用，从而为水稻的遗传育种提供理论依据和基因资源。本研究从在冠根中特异表达RING-finger H2亚类的OsPIS1着手，首先通过生物信息学、Realtime-PCR和原位杂交的方法确认了该基因在水稻冠根中的表达模式；接着以反向遗传学方法获得了该基因敲除和超表达的遗传转化材料，发现超量表达OsPIS1可以促进冠根的生长发育，而抑制则导致冠根发育不良。进一步研究发现OsPIS1在水稻冠根发育中的作用可能不同于我们课题组之前克隆鉴定的水稻冠根发育调控因子WOX11和ERF3。该基因编码的蛋白具有6个跨膜结构域和一个Zinc finger结构域，研究结果显示在一定条件下该蛋白可以剪切掉其跨膜结构域进入细胞核中与WOX11互作，促进WOX11对下游基因的调控。OsPIS RNAi材料根尖的转录组数据进行了分析揭示了OsPIS通过细胞分裂素代谢、细胞壁代谢以及氧化还原相关基因参与到水稻冠根的发育过程中。通过本项目的研究，我们揭示了水稻中RING-finger类OsPIS在冠根发育中的作用，进一步完善水稻根器官发育的调控机制，为水稻冠根发育的调控网络提供理论依据。。在本项目的资助下，我们还分析了植物特异性的锌指蛋白家族转录因子INDETERMINATE DOMAIN（IDD）在水稻发育、激素应答和非生物胁迫中的可能机制；系统地总结了近年来ROS在植物中的生产和去除、ROS在植物营养根尖分生组织发育，器官发生及其参与非生物胁迫的最新进展。更重要的是，我们还讨论了ROS与表观遗传修饰之间在调控基因表达中的相互作用，为ROS这种信号分子在作物中的研究指出了一个方向。