水稻GFD1蛋白功能及其影响籽粒灌浆的分子机制

The rice yield depends on the carbohydrate transportation (Flow) from leaves (Source) to seeds (Sink). Sucrose is the main form of the carbohydrate transportation，so the sucrose transportation is important for the rice yield formation. A grain filling defect rice mutant was due to a function unknown gene (GFD1, Grain Filling Defect1) mutation. Our study had shown that GFD1 protein had sucrose transporter activity and was located at the plasma membrane. These results suggested that GFD1 protein involved in the sucrose transportation of rice. The methods of molecular biology, cytology, plant physiology and biochemistry will be introduced in this study. Then we will investigate the sucrose transport activity, gene expression characters, interactive protein of GFD1 and the grain filling process of gfd1 mutant, and try to explicit the function of GFD1 protein and the molecular mechanism of grain filling regulation with GFD1. Our study will provide new clue to improve the rice yield by enhancing the sucrose transportation from source to sink.

碳水化合物从叶片（源）到籽粒（库）的有效运输（流）对水稻产量的形成起着重要作用。蔗糖是水稻碳水化合物运输的主要形式，因此水稻蔗糖运输对于籽粒的形成有着重要作用。我们分离到一个未知功能基因（GFD1）突变导致的水稻灌浆缺陷突变体，初步分析显示，GFD1蛋白属于SWEET蛋白家族，具有蔗糖转运活性，同时定位于细胞质膜上。这表明该蛋白很可能参与了水稻的蔗糖运输。我们将在此基础上，采用分子生物学、细胞学、植物生理学以及生物化学方法，研究GFD1蛋白的蔗糖转运特性、基因表达特性、相互作用蛋白以及影响水稻灌浆的生理过程，阐释GFD1蛋白功能和影响水稻籽粒灌浆的分子机制，为通过加强蔗糖从源到库的有效运输提高水稻产量提供新的线索。

碳水化合物从叶片（源）到籽粒（库）的有效运输（流）对水稻产量的形成起着重要作用。蔗糖是水稻碳水化合物运输的主要形式，因此水稻蔗糖运输对于籽粒的形成有着重要作用。蔗糖从叶片经过长距离运输到种子维管束，在种子维管束中经过卸载和短距离运输转运到种子的各个组织以及胚乳中。而蔗糖如何在种子维管束中进行短距离运输的过程目前并不清楚。已知水稻OsSWEET11蛋白在种子灌浆过程中有着重要作用，我们通过酵母双杂交方法筛选到与之互作的OsSWEET14蛋白，发现二者在种子维管束的蔗糖卸载中起到了协同作用。OsSWEET11和OsSWEET14都定位于细胞膜上。通过CRISPR/Cas9技术，获得了ossweet14敲除突变体，进而通过杂交获得了ossweet11-1;14-1双突突变体。与野生型相比，ossweet11单突变体的籽粒千粒重和产量显著降低，而ossweet11-1;14-1双突突变体表现出比ossweet11单突更加剧烈的表型，籽粒重和产量更加显著降低，灌浆过程更加减慢，种子果皮中积累了更多的淀粉，双突突变体种子中的蔗糖含量增加，淀粉含量降低。原位杂交分析表明，OsSWEET14和OsSWEET11在种子发育早期和快速灌浆期呈现不同的时空表达特性。在快速灌浆期，OsSWEET14和OsSWEET11主要在种子的四个部位表达：维管薄壁细胞、珠心突起、珠心表皮以及横细胞。其中OsSWEET14主要在种子中的横细胞、韧皮部薄壁细胞、木质部薄壁细胞以及珠心突起表达。OsSWEET11主要在木质部薄壁细胞、珠心突起以及珠心表皮表达。在快速灌浆过程中，OsSWEET14和OsSWEET11通过四条质外体运输途径介导蔗糖从种子内部的母本组织运输到胚乳。本研究阐释了灌浆过程中同化物在种子内部的新的运输机理，也为通过调控种子蔗糖运输提高水稻产量提供新的思路。