重穗型杂交稻骨干亲本抗倒基因OsXYN1的功能解析

Rice lodging–resistant is an important genetic base for high yield and yield stability. The degree of stem thickness, the number and structure of vascular bundle is significant for lodging-resistant. Therefore, the study on the molecular mechanism related stem thickness is important for rice lodging-resistant, transport efficiency of assimilation product, and the support degree of each panicle. So far, the cloned genes related stem thickness is few, and their molecular mechanismis unknown. We found two mutantswith thin stem,osxyn1-1 and osxyn1-2,from the mutant library generated from the core parent of heavy panicle hybrid rice--Shuhui498 with elite lodging-resistant. Cytology study showed that the cell number of vascular bundle was decreased, and the structure of vascular bundle and secondary cell wall was abnormal in mutant. Genetic and allelic study indicated that the phenotypes of two mutants were controlled by one recessive gene, and two locuswere allelic. The mapping result showed that the phenotypes of two mutants were caused bytwo different mutation in an unreported gene encoded a xylan hydrolases. In this project, we will study the biology function of OsXYN1 from the aspects of gene knockout, overexpression, catalytic activity and its substrates. Our results will lay a foundation forunveiling the molecular regulatory network, and provide a theoretical basis for molecular design breeding related rice lodging-resistant.

水稻抗倒性是高产、稳产的重要遗传基础，其茎杆粗细、维管束数目和结构对抗倒性、同化产物转运效率均具有重要意义。重穗型杂交稻以穗重、茎杆粗抗倒为突出特点，我们在重穗抗倒杂交稻骨干亲本蜀恢498 的EMS突变体库中发现两个茎秆明显变细，其它性状相似的突变体osxyn1-1和osxyn1-2。且突变体维管束数目减少、结构异常，次生细胞壁缺陷。遗传、等位和候选基因分析表明两突变体同一个未报到的编码木聚糖水解酶基因的不同位点突变导致。本项目拟在已有研究基础上，深入研究OsXYN1基因的组织细胞和分子生物学功能，OsXYN1蛋白催化活性和底物特异性，以及与木聚糖降解和修饰通路的相关基因的相互关系，为解析水稻茎杆组织细胞生长发育的分子调控网络奠定基础，为水稻抗倒相关的分子设计育种提供理论依据。

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素以及木质素组成，在某些特殊的细胞中沉积，例如管状分子、纤维细胞以及其他一些厚壁细胞。细胞壁维持这些细胞形态的同时，为植株提供了机械支撑和保护，对植株的正常生长发育与抗性有重要作用。以此同时，植物细胞壁不仅仅是维持植物细胞结构和生长所必须的外骨架，也是地球上存储太阳能最多的生物质原料。因此，发现和研究参与合成或降解植物细胞壁多糖分子的基因对于培育高产、抗倒伏新品种以及生物燃料的开发利用至关重要。木聚糖是植物细胞中含量第二高的多糖分子，直接影响植物的正常生长与发育。在本项目中我们在骨干恢复系蜀恢498的EMS诱变群体中发现两个表型及其相似的突变体，观察到多种性状的变异，包括植株变矮、叶尖萎焉、育性降低、分蘖数降低、维管束变窄以及细胞壁缺陷等等。分别命名为(slim stem )ss1以及ss2。基因定位发现候选基因编码木聚糖内切酶，命名为OsXyn1，属于植物糖苷水解酶家族10。OsXyn1在各个时期的叶片中高表达，同时在根和茎杆中也检测到了相对较低的表达量。亚细胞定位实验显示OsXYN1为细胞膜结合蛋白，且随着质壁分离而分离。TEM研究发现突变体秆中厚壁组织、薄壁组织细胞壁发生改变，中间层结构不同程度的变薄消失。细胞壁组分分析发现，OsXYN1的突变并不会导致各组成成分含量的显著变化；但是AIR干重显著低于野生型。免疫金实验发现突变体中木聚糖分布出现变化，可能导致细胞壁的合成速率下降。定量PCR研究发现细胞壁合成相关基因的表达在突变体中受到抑制，同时植株对外源GA处理的反应降低。此外，生理实验表明突变体叶片萎焉是由于水分吸收的降低所致，长期缺水导激发了植株的干旱响应，ABA含量上升，并出现了多种农艺性状的改变。综上所述，我们发现OsXyn1可能编码木聚糖水解酶，参与细胞壁的合成，从而调控植物的生长与发育。