水稻/拟南芥花粉外壁形成过程中主要代谢通路以及基因调控网络分析

The formation of pollen wall plays an important role in pollen maturation and sexual reproduction. Although some enzymes or proteins have been shown to be essential for pollen wall development in flowering plants, but current studies still could not elucidate and understand the development process systematically and comprehensively. Based on the previous project, the current proposal will continue to focus on the role of the key regulatory factors, TDR in the rice and AMS in Arabidopsis, in the regulation of pollen wall formation by investigating the involved metabolic pathways and gene regulatory networks. The integrated analysis of these pathways and networks will provide comprehensive understanding to the related molecular mechanisms and regulation network. Meanwhile, we will compare the functional variation and evolutionary conservation of the genes involved in the pollen wall formation by analysis genome-wide data with bioinformatics tools to reveal the genetic mechanism of male sterility and explore the significance of gene evolution. This could provide an approach to create male sterile line materials of premium crops. By combination with cross-breeding, agricultural breeding breakthrough could be achieved by generating male sterile lines with a simple, time-saving and efficiency manner.

花粉外壁的形成和发育对于开花植物的成熟花粉的保护和有性繁殖过程起至关重要作用，花粉外壁主要由孢粉素物质组成，但目前对于花粉外壁的发育过程以及孢粉素的组成尚缺乏系统和整体的认知与理解。本申请将继续在前期的研究基础上，通过对水稻和拟南芥关键调控因子TDR/AMS参与调控花粉外壁发育的研究，主要从代谢途径（脂类物质代谢、酚类代谢和黄酮类代谢）和基因调控网络两个方面研究，来系统理解水稻/拟南芥花粉外壁发育的分子机制和可能的基因调控网络；同时通过基因组和生物信息学方法，比较单双子叶植物在进化过程中所参与花粉外壁形成的基因功能的异同，更深入的揭示植物雄性不育的遗传机制和探索基因的进化的意义，最终希望按人们要求创造优良品种作物的雄性不育系材料，结合杂交育种方法，更加简便、快速和有效创造雄性不育系，实现农业育种突破。

控制植物雄性生殖发育的能力对于物种的繁衍以及农业杂交种育种意义重大。本项目以水稻和拟南芥为研究对象，围绕植物发育过程中影响高产和育性相关的关键基因及其调控网络开展系统生物学研究，重点从代谢角度阐述花粉外壁形成过程中的关键代谢途径（脂类物质代谢、酚类代谢和黄酮类代谢），并对相应功能基因开展研究。前期我们充分证明TDR/AMS是控制花粉外壁发育和形成的关键调控因子，本项目通过高通量基因组测序、表达谱芯片数据和共表达等生物信息的分析，筛选出获得大量可能参与花粉外壁形成的基因，本研究主要从代谢途径和调控网络两个方面来系统阐述花粉外壁发育过程，尤其通过对关键代谢（脂类物质代谢、酚类代谢和黄酮类代谢）酶的功能和底物研究，了解参与花粉外壁发育的主要代谢途径，通过探讨这些关键酶或蛋白与TDR/AMS以及其它关键转录因子之间的调控关系，来揭示TDR/AMS 基因的控制机制及整个花粉外壁发育的调控网络；并同时比较单双子叶植物之间，花粉外壁的发育途径和调控网络在进化过程中的异同，从而探索基因的进化的意义。主要研究结果包括：证明拟南芥AMS可以通过调控至少23 个基因的时空表达，来对胼胝质及初生外壁的合成、孢粉素合成、运输和沉积等精确控制，从而控制花粉壁的形成；阐述了拟南芥LTPs 和ABC 转运蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析，证明它们在花药发育过程中具有较高的协调性，在时空和组织表达上受到严格的调控，并在水稻和拟南芥的花药中分别受TDR/AMS 直接调控；初步验证了水稻花药中由三个bHLHs蛋白TIP2、TDR 和EAT1 组成的级联调控体系，该体系在水稻花药壁细胞层分化、发育和降解等关键节点中起到转换开关的作用。这些研究结果为推动我国重要作物杂交育种、以及分子设计育种的基础理论研究和技术的进步提供科学依据。目前已经发表标注本项目资助的研究论文8 篇（其中SCI论文4篇；第一或通讯作者论文6 篇）。