DNA拓扑异构酶I在拟南芥和水稻根发育中的功能及其分子机理研究

DNA拓扑异构酶I (DNA Topoisomerase，TOP1)是生物细胞中普遍存在的一种核内酶，直接参与DNA拓扑结构的改变，染色质的重塑和组装，及细胞分裂等生命过程。对高等植物拟南芥的研究显示，TOP1的功能与拟南芥各器官的形态结构发育有关，但相关分子机制尚不清楚。为了揭示TOP1基因在高等植物形态建成中的功能与作用机理，本项目拟从TOP1基因在拟南芥根系中的表达模式、基因功能分析及与其它根系形成和发育相关基因的互作方面开展研究；并结合对水稻中的单个TOP1基因在水稻根系的表达和功能的分析，从分子细胞学水平和进化生物学角度阐明 TOP1基因在植物（干）细胞形成、分裂和分化过程中的作用及其对表观遗传过程的影响。本项目的研究结果将增进我们对调控植物器官，特别是根系这一重要营养器官形成和发育的分子机理的了解，并为培育具有理想根系构型、高效利用土壤养分的作物新品种提供前瞻性的理论依据。

DNA拓扑异构酶I (DNA Topoisomerase，TOP1)是生物细胞中普遍存在的一种核内酶，直接参与DNA拓扑结构的改变、染色质的重塑和组装及细胞分裂等生命过程。对高等植物拟南芥的研究显示，TOP1的功能与拟南芥各器官的形态结构发育有关，但相关分子机制尚不清楚。水稻是单子叶模式植物，也是我国重要的粮食作物，其根系的发育和根系构型的形成直接影响植物体对水分和营养物质的吸收。为了揭示TOP1基因在水稻根系形态建成中的功能与作用机理，本项目采用反向遗传学方法，通过构建OsTOPⅠ启动子表达载体，RNAi载体以及超表达载体来阐明OsTOPⅠ基因在水稻根系发育中的功能。本研究结果表明OsTOPⅠ主要在根尖代谢活跃的细胞在表达，其表达量的降低使得水稻幼苗主根变短，同时也造成侧根和冠根数目减少，这与TopoⅠ专一性抑制剂喜树碱CPT处理后野生型幼苗具有表型类似。对CPT处理DR5-GUS转基因幼苗根尖观察发现，根尖分生区和伸长区明显萎缩且GUS的表达区域明显减少，而RNAi家系中细胞周期时相特异性基因和生长素早期应答基因的表达也明显下调。同时也观察到在幼苗期，RNAi家系中有的幼苗出现无芽，多芽或多根表型；抽穗期的小穗器官发育发生紊乱；成熟期表现出生长迟缓，较矮，晚抽穗，结实率低等现象。这些结果表明OsTOPⅠ可以影响细胞周期基因和生长素信号应答基因的表达来参与分生组织的维持，进而对水稻的构型、尤其是根系构型产生影响。通过CPT处理、启动子表达模式分析以及突变体表型观察，结果表明拟南芥TopoⅠ影响侧根的发生以及根尖结构。本项目的研究结果不仅加深了我们对OsTopoⅠ功能的认识，也增进了对调控植物器官、特别是根系这一重要营养器官形成和发育分子机理的了解，并为采用分子育种技术培育具有理想根系构型、高效利用土壤养分的水稻作物新品种提供前瞻性的理论依据。