水稻SPL基因调控穗分化过程中营养发育程序终结的分子机理研究

Improvement of yield traits is one of the most important goals in rice breeding. Rice yield is largely determined by the panicle architecture. Termination of vegetative development program (TVDP) is required for the establishment of panicle architecture, however, the underlying mechanisms of TVDP are largely unknown. Our previous results showed that SPL genes played important roles in determining the plant architecture of rice. More than that, we found that these genes also had vital roles in the TVDP during rice panicle development, since the bract outgrowth and ectopically vegetative shoots rather than reproductive branches were observed in the panicles of spl mutants. To explore the molecular mechanisms of SPL genes in TVDP, we had carried out the preliminary works, and we identified that the transcription factor SIP1 (SPL Interacting Protein1) and NL3 (Neck Leaf3) acted as the interacting partner and binding target candidates of SPL genes, respectively. Both SIP1 and NL3 repressed bract development. To reveal the molecular mechanisms of TVDP during rice panicle development, the developmental processes of panicles in spl mutants will be further intensively described in this project. Moreover, the protein interactions between SIP1 and SPLs, and their roles in regulating NL3 expression will also be comprehensively studied in vivo. The outcome of this project will broad our understanding to the biological basis of yield formation in rice and other crops, thus to facilitate high yield breeding in practice.

产量性状是水稻遗传改良的重要目标，而穗型是产量高低的重要决定因子。穗分化过程中，营养发育程序的适时终结是穗型得以建立的重要前提，但是人们对营养发育程序终结的调控机制还知之甚少。申请人前期在研究SPL基因对水稻株型作用的过程中发现，这些基因还同时促进水稻穗分化过程中营养发育程序的终结。在SPL基因突变体中，苞叶异常发育，穗枝梗转变为营养性枝条。为了探寻SPL基因调控穗分化过程中营养发育程序终结的分子机制，我们已通过前期工作筛选到了其候选互作蛋白SIP1和候选靶基因NL3，这两个基因皆抑制苞叶发育。在此基础上，本项目拟进一步分析SPL基因突变体的穗发育过程；在水稻体内研究SPL和SIP1之间的蛋白互作及其对NL3的调控作用，以此探究穗分化过程中营养发育程序终结的分子机制。本研究结果将进一步加深我们对水稻等禾本科农作物产量性状形成的生物学基础的理解，同时也可能为水稻的遗传改良提供理论依据和指导。

生殖转变是植物生命周期中的重要分化过程，会导致发育模式的改变。在生殖生长的形态建成过程中，由花序分生组织产生的叶片（苞叶）等营养性器官的发育受到严重抑制，从而促进生殖器官的细胞属性建立和生长发育。虽然该发育模式的转变对水稻穗发育具有重要的作用，但相应的分子机制还知之甚少。本项目拟通过研究SPL基因的功能，并筛选鉴定互作蛋白和靶基因，揭示SPL基因在生殖生长阶段，终结营养发育程序的遗传和分子机制。取得主要研究结果如下：. 通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，创建多个SPL基因的突变体，并通过结合表型观察、石蜡切片和扫描电镜分析，阐述突变体幼穗分化过程的变化，结果显示，在SPL基因突变体中，苞叶原基不退化，枝梗原基的起始受到严重抑制，最终形成了营养性的枝条取代了穗分枝的形成，因此SPL基因决定枝梗原基的细胞命运。. 通过酵母双杂交筛选，并通过多种分子手段，获得了与SPL蛋白质相互作用的SIP1，该基因也抑制苞叶发育；通过遗传学手段，证明了SPL和SIP1处于相同的生物学途径，抑制穗分化过程中营养器官的发育。. 通过RNA-seq和ATAC-seq技术，比较分析了SPL和SIP1突变体中转录组和染色质开放性的变化，结果表明SPL和SIP1突变体导致了共同的转录组和染色质状态的改变，并发现和验证了SPL和SIP1共同通过调节TSS1的表达来抑制苞叶的发育。.发现了SPL独立于SIP1调控新的控制苞叶发育的基因NL3；遗传学分析表明，SPL和NL3处于相同的遗传途径，但是NL3和NL1处于不同的遗传途径。. 开发了具有广泛适用性、高通量特点的SNP基因分型方法，不仅可以用于基因编辑技术的SNP检测，也可以用于多个作物的自然变异的基因型检测。.本项目的研究成果，系统阐述了SPL基因在水稻穗分化过程中，终结营养发育程序的遗传和分子机制，为理解植物发育模式随生殖转变发生改变这一普遍科学问题提供了新的观点，同时也加深了对水稻等禾本科作物产量性状的形成基础的理解；开发的SNP基因分型技术将可能普遍的应用于基础科学研究和育种实践工作中。