MATE转运蛋白DGF1调控水稻灌浆的分子生物学功能研究

Rice grain filling is a process of the synthesis and accumulation of starch and protein, which directly determines rice yield and quality. Our preliminary study identified a mutant, dgf1, with slow grain-filling rate and high chalkiness degree. Gene mapping and complementary results showed that the phenotype of the dgf1 mutant was caused by a premature stop code in a MATE transporter. DGF1 protein was localized on plasma membrane, and transport ABA. Indica-Japonica differentiation was observed in DGF1 locus, and the 9311/Nip SSSLs including DGF1 locus showed high chalkness. Based on these preliminary data, we use the approaches of genetics, molecular biology, physiology and biochemistry to study: the molecular biological function regulated by DGF1 in caryopsis, and the important regulators involved in the pathway that DGF1 regulated. These results will lay a foundation for understanding the molecular network of grain filling in rice. On the other hand, we use 9311/Nip SSSLs to study the difference of biological function between Japonica and Indica haplotype. These results will reveal the biological function of different DGF1 haplotypes during rice differentiation, also provide elite gene resource and theoretical basis for improving rice yield and quality.

水稻灌浆是胚乳中淀粉及蛋白质合成和积累的过程，直接决定着水稻的产量和品质，但其分子机理很不清楚。我们前期鉴定了一份灌浆慢、高垩白的突变体dgf1(defective grain filling 1)。基因定位和互补结果表明dgf1表型由一个MATE转运蛋白提前终止所致。初步功能分析表明：DGF1蛋白位于细胞膜具有外排ABA活性，且DGF1序列存在籼粳分化，含DGF1片段的9311/Nip代换系表现垩白增加。在此基础上，结合遗传学、分子生物学和生理生化等方法开展DGF1在颖果中的分子生物学功能研究，揭示DGF1通过控制ABA转运参与水稻灌浆的分子生物学功能，以及参与DGF1调控网络的重要因子，为全面解析水稻灌浆的分子调控网络奠定基础。另一方面，利用9311/Nip片段代换系研究DGF1籼粳型功能差异，阐明DGF1在水稻籼粳分化过程生物学功能差异，为提高水稻产量和品质提供优异基因资源和理论依据

水稻是世界上最重要的粮食作物，全球一半以上人口的主食。水稻灌浆充实直接决定水稻产量和稻米品质。随着全球气候变暖，极端天气愈见频繁。水稻开花灌浆期极易遭遇夏季高温危害，导致减产甚至绝收，因此解析水稻高温影响灌浆背后的分子机制，可为分子设计育种解决高温下水稻灌浆充实，保障产量和品质提供理论指导。本项目利用重穗杂交稻骨干亲本蜀恢527的一份灌浆缺陷的突变体dg1为研究材料。dg1突变体主要表现为灌浆延迟和籽粒充实差，千粒重下降；生理指标测定发现同一时期dg1颖果中蔗糖、果糖和葡萄糖含量高于野生型，而总淀粉含量低于野生型。遗传分析表明突变体表型受一对隐性基因控制，利用MutMap分析发现dg1表型是LOC_Os03g12790基因组786位由G到A的碱基变异，导致蛋白翻译提前终止所致。遗传互补和日本晴基因敲除进一步证实了LOC_Os03g12790就是控制dg1突变体表型的基因。.本项目在上述研究基础上深入研究了DG1调控水稻灌浆的生物学功能。该研究揭示了水稻从叶片到颖果的ABA长距离转运系统及生物学意义。即ABA主要在叶片中合成，装载到韧皮部，再运输到茎节的扩大维管束，并从扩大维管束进入分散维管束，进一步通过小花轴维管束进入颖果，调节颖果中一系列淀粉合成关键基因的表达量，促进籽粒灌浆充实；在这一过程中，ABA外排转运蛋白DG1起了关键作用，且编码该蛋白的基因DG1表达受温度调控，协调ABA从叶片到颖果的转运效率，确保各温度下种子的正常发育。