水稻转录因子OsWRKY1在维持磷素动态平衡过程中的功能研究

Phoshporus (P) is often a limiting factor in soil for plant growth and development. Plants have evolved a suite of adaptive strategies to cope with low phosphate (Pi) conditions. It is transcription factors that play crucial roles in such transcriptional regulation. In my previous work, a Pi-starvation responsive transcription factor from the WRKY family was identified in rice, and designated as OsWRKY1. The physiological role of OsWRKY1 in maintaining rice Pi homeostasis was investigated. In addition, OsWRKY1 was found to affect rice growth and development. In the present work, we intend to study the physiological roles of OsWRKY1 in maintaining P homeiostasis in rice by using OsWRKY1 overexpressing and knock-down or knock-out plants. Simultaneously, in an attempt to dissect the regulatory mechanisms of OsWRKY1, we shall also utilize bioinformatic analysis, microarray, ChIP (Chromatin Immuno-Precipitation) and EMSA (Electrophoretical Mobility Shift Assay) to screen the downstream target gene directly regulated by OsWRKY1. We believe we will stand a good chance to elucidate the important role and underlying molecular mechanism of the first WRKY transcription factor involved in maintaining P homeostasis in rice, providing candidate gene for molecular breeding of high P-use-efficiency crops.

磷是土壤中植物生长发育的主要限制因子之一。植物在进化过程中形成了一套适应低磷环境的机制。作为在转录水平的基因表达调控因子，转录因子发挥着关键作用。申请人前期工作中筛选到了水稻 WRKY 家族缺磷响应转录因子基因，将其命名为 OsWRKY1，初步结果显示该基因可能通过调控下游磷吸收转运相关基因以维持水稻的磷素动态平衡。此外，我们发现该基因亦显著影响水稻的生长发育过程。本项目拟利用已经获得的OsWRKY1过量表达和突变体植株，同时采用生物信息学分析、基因芯片、ChIP和EMSA等手段筛选出受OsWRKY1直接调控的下游基因，明确OsWRKY1在维持水稻磷素动态平衡过程中的功能及其作用机制。本研究有望阐明水稻中首个参与维持磷素动态平衡的WRKY家族转录因子的生理功能及其分子机制，为培育磷高效作物提供候选基因。

磷是土壤中植物生长发育的主要限制因子之一。植物在进化过程中形成了一套适应缺磷胁迫的机制。作为在转录水平的基因表达调控因子，转录因子发挥着关键作用。本项目以水稻中一个响应磷信号的转录因子基因（暂命名为OsWRKY1）为对象，研究了其在维持磷稳态和信号转导过程中的功能及分子机制，同时对该基因在水稻地上部株型和根系构型中的调控功能也进行了研究，获得的主要结果如下：（1）OsWRKY1的过量表达导致在正常供磷条件下植株地上部磷的积累与野生型植株相比显著提高，而在根部磷的积累没有变化；在低磷条件下，过量表达植株的磷积累也没有改变。此外，将OsWRKY1在拟南芥中过量表达亦可导致转基因植株地上部磷积累的增加，表明该基因在双子叶植物和单子叶植物的进化中可能是保守的。（2）RNAi技术构建的OsWRKY1沉默植株中磷积累没有变化，而通过CRISPR-Cas9体系构建的9个独立株系突变体中，有4个株系显示出磷积累的增加，而其余5个株系的磷积累没有变化，可能是由于WRKY家族中其他参与维持磷稳态的成员被非特异突变所致。（3）虽然OsWRKY1过量表达植株的地上部磷积累显著增加，但并未检测到磷酸盐转运蛋白基因表达的变化，表明OsWRKY1可能调控其他未知的具有磷转运活性的基因，亦或直接调控一个下游基因并由该基因在转录后水平（如翻译水平、翻译后水平）调控磷转运蛋白的丰度或活性。（4）OsWRKY1过量表达植株与野生型相比株高显著降低，且叶片夹角增大，主根长度增加。其地上部表型与生长素信号途径中的关键转录因子基因OsIAA1的过量表达植株极为相似，且OsWRKY1过量表达植株中包括OsIAA1在内的数个生长素途径相关基因的表达均发生改变。此外，OsWRKY1对株型和根系构型的调控是独立于供磷水平的，表明OsWRKY1可同时参与维持磷稳态和调控株型两个相对独立的途径。本研究为进一步完善作物磷信号调控网络及阐明其与其他途径的交互作用提供了新的证据，并为培育磷高效作物提供了候选基因。