四环三萜帕克醇代谢途径调节水稻分蘖的机制研究

Plants synthesize and accumulate a wide variety of triterpenoids. These triterpene scaffolds can then provide the foundation for further modification by triterpene-modifying enzymes, e.g. cytochrome P450 monooxygenases (CYPs), sugar transferases (GTs), and acyltransferases (ATs), thereby leading to enormous structural diversity for pathogen and insect defense or regulate plant development. OsPS from japonica rice were previously reported to encode parkeol synthase, synthesizing a tetracyclic triterpene parkeol. The loss-of-function mutants showed increased tiller number of rice plant, suggesting that parkoel or its derivatives are involved in regulation of rice development and growth. This study will mining the any of CYPs, GTs and ATs involved in parkeol biosynthesis pathway, found out the key metabolites and targeted protein controlling the rice tiller number by fine expression pattern analysis of OsPS, transcriptomics and metabolomics analysis, phenotype analysis on TILLING mutants and functional analysis of candidate gene. We aim to reveal the mechanism of triterpene pathway regulating tiller number in rice, proving materials and theoretical guidance of rice breeding.

植物合成种类繁多的三萜类功能化合物。三萜合酶催化2,3-环氧鲨烯合成各种三萜骨架，其进一步被细胞色素P450s单加氧酶(CYP)、糖基转移酶（GT）和酰基转移酶(AT)等酶类的修饰，形成具有更强活性的三萜皂苷或脂类物质，参与植物的抗病、抗虫及自身的生长发育。本实验室的前期研究鉴定了一个水稻三萜合酶基因（OsPS），其编码酶产生四环三萜帕克醇，其功能的缺失导致植株分蘖数增加。这暗示帕克醇途径参与调控水稻的生长发育。本项目将确定OsPS的精细时空表达模式，分析其特异表达细胞类型的转录组和代谢组，鉴定出参与帕克醇代谢途径的候选基因及帕克醇的衍生物；创制候选基因功能缺失突变体，分析突变体分蘖数的变化，鉴定出突变体与野生型的差异代谢物，并验证候选酶的功能，解析OsPS引导的三萜代谢途径；鉴定调控水稻分蘖的关键化合物分子及靶蛋白，揭示三萜代谢物调控水稻分蘖的分子机制，为高产育种提供材料基础和理论指导。

三萜类化合物在植物界中广泛分布存在，在萜类化合物中种类最多，是植物中重要的一类次生代谢产物。三萜类物质在植物生长发育及抗逆性方面都起着重要的作用，且具有重要的药用价值以及商业价值。四环三萜帕克醇由粳稻中由帕克醇合酶PS对前体物质2,3-氧化鲨烯环化生成。研究发现帕克醇的突变体表型为水稻分蘖数增多，推测四环三萜帕克醇代谢途径参与调节水稻分蘖。且帕克醇化合物与环阿屯醇结构极其相似，推测是否存在帕克醇下游代谢途径生成植物甾醇等产物。. 本项目通过公共数据库查找以及不同时期不同部位水稻转录组数据分析确定帕克醇的特异表达部位，主要在水稻的胚芽、胚芽鞘以及成熟叶鞘中表达，并利用免疫组化实验对胚芽鞘时期帕克醇的特异性表达进行研究。通过对获得的粳稻ZH11的帕克醇野生型（ZH11）、突变体（P22A11）、突变互补型（HBP22A11-4、HBP22A11-6）以及过表达（OE-4）等材料进行鉴定，并对鉴定正确的材料进行了表型观察，对不同转基因水稻的三萜甾醇表达含量进行了统计分析，同时对基因表达差异进行了研究。表型观察发现，相对于野生型，突变体、互补型以及过表达型都表现出了分蘖数增加的表型，而过表达的表型表现出分蘖角度增大，株高变矮以及结穗期晚、种子成熟晚等现象，并检测到过表达种类成熟叶鞘三萜和甾醇类化合物如胆固醇、菜油甾醇、谷甾醇等含量降低。从分子层面出发，对胚芽鞘时期转录组数据中进行分析，可知BR合成及下游途径中，关键基因如OsCAS、OsSMO3、OsDWF4等在过表达材料中表达量显著下降；水稻分蘖抑制基因如OsTB1、OsD11等，在突变体、过表达等材料中表达量均显著下降。解释了突变体、过表达分蘖数增多以及过表达型植株变矮、分蘖角度增大、结穗期推迟等现象。. 本项目对帕克醇的特异性表达进行了研究，并对帕克醇基因的野生型、突变体、互补型以及过表达型的植株表型和转录组数据进行了分析，为水稻分蘖调控机制的研究奠定了基础。