硒对水稻ObgC1介导的叶绿体发育的影响

Selenium (Se) is an essential nutrient element for animals and human beings. Se deficiency may directly result in Keshan Disease and Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). In rice grains, Se occurs in proteins as the amino acid, selenocysteine. Organic Se is more effective comparing to inorganic form in diet intake process. However, rice grains contain very low Se content. Therefore, studies on identifying genes regulating Se content in rice grains become important..Se may also play vital roles in plants, such as enhancing chlorophyll biosynthesis, anti-oxidation, stress resistance and etc. But the bio-molecular mechanism remains unclear. We already have primarily proven the key regulator in chloroplast development, ObgC expression is regulated by Se treatment. Herein, we start our research from ObgC to understand how Se regulates ObgC function using physiology, genetics, molecular biology and biochemistry approaches. In this project, we are going to further investigate how Se regulates chloroplast development at transcription and translation levels and discover Se regulated genes involved in chloroplast protein biogenesis with the help of transcriptome and proteome approaches. This study can help the understanding of how Se regulates chloroplast development, which is still an open question. Data from this study can contribute to science society by providing scientific evidences which can be employed in developing molecular approaches to regulate Se biosynthesis and in breeding high-quality, high-yield Se-rich rice cultivars.

硒是人和动物的必需元素。缺硒可引发克山病、肌营养不良等多种疾病。在稻米中，硒主要以有机硒（蛋白硒结合）形式存在的，同时有机硒的补硒效果优于无机硒。但稻米普遍含硒量偏低，因此急需加强对控制籽粒有机硒含量基因的鉴定和研究。.硒在植物中有促进叶绿素的合成代谢，提高作物产量，增强抗氧化性等生物学效应，但其分子机理并不清楚。我们初步研究结果显示作为水稻叶绿体发育关键基因ObgC1的表达受到硒的调控。因此本研究以ObgC 为切入点，综合运用生理学、遗传学、分子生物学和生物化学的方法，研究硒对水稻ObgC的表达和功能的调控；解析硒在转录本及蛋白质水平上调节叶绿体发育的机理；同时运用转录组学方法，初步揭示硒信号通路中与叶绿体蛋白合成相关的基因，为通过分子手段调控水稻有机硒合成，为培育优质、高产和具备特殊功能的富硒水稻奠定基础。

硒元素是动植物生命活动必需的一种微量元素。水稻作为我国重要的粮食作物，其品质口感与谷粒中的硒含量密切相关，富硒水稻相比普通水稻有着更高的营养价值，适宜浓度的硒处理能够提高光合作用效率，促进水稻的生长。本研究发现水稻叶绿体发育关键基因ObgC1在不同浓度和不同价键的硒处理下其转录水平发生明显变化，说明该基因的表达受到硒的调控。为了系统分析硒调控OsObgC1基因的分子机理，通过黑暗或光照组合，及根部与叶面不同方式对野生型水稻进行硒处理，结果发现：低浓度（10 μmol/L）的硒能使OsObgC1表达量增加；硒对OsObgC1转录水平的调控不受光照因素的限制，并且叶面施加硒同样能改变OsObgC1转录水平。为了探究硒对OsObgC1基因组织表达的影响, 用不同价键、不同浓度的硒处理PObgC1-GUS转基因水稻， GUS组织染色结果显示高浓度（100 μmol/L）的硒酸盐与亚硒酸盐会使叶部OsObgC1的表达量下降。通过对osobgc1突变体多聚核糖体的分布分析，揭示了叶绿体中核糖体的成熟过程受到OsObgC1基因的调控。在此基础上，我们发现OsObgC1基因缺失突变体osobgc1对高浓度的硒处理比野生型水稻表现更为敏感，OsObgC1基因的过表达则会增强水稻对硒的耐受性。通过大肠杆菌OsObgC1基因的功能验证实验，证明OsObgC1基因在原核生物中有着相同的功能。为了进一步研究硒处理影响水稻ObgC1介导的叶绿体发育的分子机制，本研究对不同硒处理下的水稻样品进行了转录组学与蛋白组学分析，分析结果显示核糖体形成基因、抗逆及叶绿体发育相关基因可能参与到硒调节的叶绿体发育和植物生长。因此本研究不仅为深入研究硒对叶绿体发育的分子机制提供了基础，而且为理解硒如何促进光合作用提供了新的切入点。