一个水稻显性主效耐高温基因的分子机制和互作网络研究

This NSFC proposal is the continouation of a previously-completed project. High temperature is a serious adverse factor causing rice underproduction and it is thus desperately need the applicable heat tolerant resources in breeding. Previous studies discovered a rice endogenous dominant major locus OsHTAS tolerant to high temperature and preliminarily confirmed its biological function. This NSFC　proposal attempt to systematically elucidate molecular mechanism of rice tolerant to high temperature via correlation analysis of high temperature tolerance in both seedling and flowering stagies and biological function verification, mRNA transcript detection, up-regulation mechanism investigation of the single base mutation cotained 5 ' -UTR intron sequence,protein intereraction network dissection. At the same time,develop a general molecular markers closely linked to the OsHTAS, and on this basis, establish marker assisted selection technology system for high temperature tolerance breeding of rice. The implementation of this application, it will be significant not only to the research on basic theory of high temperature tolerance mechanism in rice, but also in coping with global warming on rice production and food security.

本项申请是我们承担的上一个结题基金项目（30871502）的继续。高温是导致水稻减产的重要因素，因此育种上迫切需要可利用的抗高温遗传资源。前期研究发现了一个水稻内源显性主效耐高温基因OsHTAS，并初步验证了它的生物学功能。本项申请拟进一步通过该基因的苗期与花期耐高温特性关联分析与功能验证、mRNA转录本检测、单碱基突变所在的5'-UTR内含子序列上调作用机理研究、蛋白质互作网络剖析，系统阐明水稻耐高温的分子机理；同时，开发与OsHTAS基因紧密连锁的通用型分子标记，在此基础上，为水稻耐高温育种建立高效的分子标记辅助选择技术体系，从而为开展水稻抗高温育种提供技术储备。本项申请的实施，将不仅在水稻抗高温分子机制的基础理论研究方面有重要意义，而且在提高水稻抗高温能力、应对全球升温对水稻生产和粮食安全带来的威胁上也具有重要价值。

随着全球持续升温，我国长江中下游流域和华南稲区愈来愈频繁发生的大范围38℃以上极端高温天气给水稻生产带来严重威胁，受害严重的品种的结实率常常只有不到30%，并因此造成巨大产量损失。实践证明，发掘抗高温基因资源，选育耐高温水稻品种是应对高温热害的有效措施。本基金申请项目即是在此背景下立项和实施的。. 经过4年的艰苦努力，我们弄清了从耐高温品种HT54上克隆的OsHTAS基因的表达特征，明确了其产物蛋白的功能域组成和结构特征，及其亚细胞定位情况；并利用自主创造的日本晴过表达与RANi抑制系，以及征集来的中花11功能获得性突变体等不同遗传背景材料和热胁迫处理验证了OsHTAS的功能；同时，通过酵母双杂交试验，发现了与其互作的6个基因，其中，包含2个泛素结合酶（E2）基因，但当用点突变法将OsHTAS的环指结构域中的保守氨基酸组氨酸替换成酪氨酸时，该环指结构域与两个泛素结合酶之间的互作就消失了，该结果因此证明OsHTAS具有泛素结合酶活性。之后，我们将纯化出的OsHTAS蛋白与小麦的E1、人类的E2一起进行体外泛素化实验也证明了这一点。. 另外，我们还通过逆境相关基因表达分析，组织和细胞过氧化氢H2O2、脱落酸ABA与抗坏血酸过氧化物酶APX含量测定及其关联基因的定量表达分析，气孔关闭与花药开裂显微观察等试验最终证实：OsHTAS在苗期的耐高温机制是通过脱落酸ABA与抗环血酸过氧化物酶APX两者对活性氧的生成与清除控制，调节叶片气孔的关闭状态，以此来防止高温胁迫下水分的散失，从而提高水稻植株耐高温性；而在开花期的耐高温机制则是通过脱落酸ABA与抗环血酸过氧化物酶APX两者对活性氧的生成与清除控制，调节花药开裂状态，以此来确保高温胁迫下授粉受精过程的正常完成，从而提高小花耐高温结实性能。