利用组学关联分析法研究适度干旱调控超级稻茎鞘中NSC再利用及弱势粒灌浆的分子机理

Low grain filling efficiency can lead to yield fluctuation and is an important problem in super rice production. It has been reported that moderate drought during grain filling can promote remobilization of pre-stored non-structural carbohydrate (NSC) in the straws and enhance grain filling of inferior spikelets. However, it is still not clear about the molecular mechanism of moderate drought-enhanced NSC remobilization and the regulation of the inferior spikelet grain filling. It has also been known that DNA methylation and demethylation plays important role in the control of gene expressions during seed development and fruit maturation. In this study, we propose to use DNA methylation sequencing, RNA-seq, SWATH-MS and the combined analysis of these comics technologies to investigate all the gene expression and fates of proteins in rice straws and inferior spikelets under moderate drought stress. The key genes from omics results will be further verified by reverse genetic technologies. The enzyme activities of NSC and starch metabolism, plant hormones and drought-related metabolites such as ROS, MDA, proline will be also investigated by using physiological, biochemical and molecular approaches. This project could provide novel insights into the genetic mechanism regulating NSC remobilization and grain filling of rice and identify crucial regulators for future super rice improvement.

灌浆效率低、产量不稳定是现在超级稻生产面临的主要问题之一，研究表明在水稻灌浆期适度干旱可促进非结构性碳水化合物（NSC）的再利用并提高水稻弱势粒的灌浆效率，然而，我们至今对适度干旱以及这两个生物过程的关系及调控分子机理仍不甚了解。针对这一问题，本项目拟利用多种组学方法及关联分析方法全局性、系统性地研究超级稻和常规稻茎鞘中所有基因和蛋白的表达量及DNA甲基化对它们的调控机理，后续将利用反向遗传学技术验证组学结果中的关键基因，并用生理生化和分子生物学技术检测茎鞘及强弱势粒中NSC和淀粉代谢相关酶活性及植物激素等干旱相关代谢产物的含量变化。通过以上实验我们希望能够揭示适度干旱调控NSC再利用和弱势粒灌浆的分子机理，构建超级稻中茎鞘NSC再利用和弱势粒灌浆的调控网络。本项目成果不仅对揭示水稻弱势粒种子灌浆规律有着重要的科学意义，还可为超级稻稳定高产栽培提供理论基础。

灌浆效率低、产量不稳定是现在超级稻生产面临的主要问题之一，研究表明在水稻灌浆期适度干旱可促进非结构性碳水化合物（NSC）的再利用并提高水稻弱势粒的灌浆效率，然而，我们至今对适度干旱以及这两个生物过程的关系及调控分子机理仍不甚了解。针对这些问题，本项目分别利用转录组测序对花后适度干旱处理下水稻弱势粒灌浆的调控机理进行研究、利用转录组测序技术和蛋白质组测序，以及蛋白基因组关联分析技术对花后适度干旱下水稻茎鞘NSC转运相关基因表达进行系统性分析，并结合籽粒中转录组测序结果对源库关系的调控机理进行分析、对灌浆过程茎鞘进行甲基化测序和转录组测序关联分析，挖掘甲基化程度对调控茎鞘NSC活化利用的基因表达调控机理、对花后适度干旱处理下水稻弱势粒进行small RNA测序和转录组测序后进行关联分析，挖掘参与适度干旱调控弱势粒灌浆的关键因子，并开展部分遗传转化验证实验、利用多组学测序技术分析了可变剪切对种子萌发期低氧胁迫的调控机制及海藻糖调控种子萌发的分子机理。通过本项目的研究，我们初步揭示了植物激素ABA参与调控弱势粒灌浆的分子机理，揭示了灌浆过程水稻茎鞘中转录后修饰对茎鞘NSC转运的调控机制，并揭示了甲基化过程参与调控NSC转运相关基因的表达，此外我们还揭示小RNA参与调控弱势粒响应花后适度干旱处理的作用机制以及海藻糖合成关键基因OsTPP1参与调控水稻种子萌发的新机制。本项目的研究成果为后续深入研究水稻强势粒和弱势粒灌浆差异提供了重要的基因资源，在培育高产稳产的超级稻上具有重要的应用前景。