钙离子结合蛋白OsDEX1控制水稻绒毡层细胞程序性死亡的机制分析

Programmed cell death (PCD) is a critical process for development and stress response in plants. Calcium plays important role in PCD. The tapetal PCD is an indispensable process for pollen development in flowering plants. Previous work reported a Ca2+ binding protein OsDEX1 controlled tapetum PCD, which might be via regulating Ca2+ homeostasis in tapetal cells. However, the signaling pathway and molecular mechanism remains elusive. Based on OsDEX1, this project firstly aims to establish the dynamic Ca2+ homeostasis in tapetal cells and the regulatory network of OsDEX1 to find out the function and molecular mechanism of Ca2+ signaling on tapetum PCD. This study mainly focuses on an anther-specific expressed putative Ca sensor, CML, which is largely down-regulated in osdex1. cml mutant is defective in pollen development. These findings suggested that CML might be a critical downstream component of OsDEX1 on regulating Ca2+ homeostasis and tapetum PCD. By the biochemical analysis, subcellular localization, molecular analysis, the interaction protein identification and verification, we are committed to find out the the molecular mechanism of OsDEX1 on tapetum PCD, which provides clues on molecular mechanism of calcium on tapetum PCD.

细胞程序性死亡（PCD）是植物体生长发育和抵御外界环境胁迫的重要过程。钙离子对PCD具有广泛的调节作用。在开花植物中，绒毡层PCD是保证花粉发育的重要步骤。前期研究证明一个钙离子结合蛋白OsDEX1控制绒毡层PCD过程，可能是通过调节钙离子的浓度及分布实现的，然而分子机制仍待进一步阐明。本项目拟以OsDEX1为切入点，通过研究花药发育过程中的钙离子动态分布以及OsDEX1调控网络，探索钙离子信号通路在绒毡层PCD过程中的作用及机制。将重点关注一个绒毡层特异表达，在osdex1中表达下调的钙sensor CML。cml突变体花粉无法正常发育，说明CML可能是OsDEX1调节钙离子浓度及分布、控制绒毡层细胞PCD的重要下游元件。通过CML生化功能和蛋白定位分析，以及互作蛋白功能分析，阐释OsDEX1调控绒毡层PCD的分子机制，为解析钙离子调控绒毡层细胞PCD提供线索。

水稻杂交育种对于提高水稻产量、品质、抗性等多种农艺性状都具有决定性的作用。杂交育种依赖于雄性不育系为母本进行杂交，因此，雄性不育系的选育在农业生产中具有重要作用，而对于水稻雄性不育分子机制的研究，具有揭示生物学过程和选育更多适用于农业生产的材料双重意义。本项目以一个参与调控绒毡层程序化死亡（PCD）和花粉外壁发育的OsDEX1为切入点，研究其作用机制。.本项目通过对osdex1的转录组测序分析筛选到一个在绒毡层特异表达的AHL家族转录因子PTC2以及三个花粉外壁发育的关键基因，OsPKS1,OsTKPR1和OsTKPR2。ptc2突变体呈现绒毡层PCD降解异常以及雄性不育的表型。此外，ptc2突变体的花粉外壁形态异常，说明PTC2是一个花粉外壁形态建成的关键调控因子。PTC2和另外一个绒毡层PCD的调控因子PTC1蛋白互作，两者可能共同调控绒毡层PCD相关的下游基因，而两者调控花粉外壁形态的下游基因，则不尽相同。ospks1 与其同源基因的突变体ospks2 的花粉外壁和乌氏体结构均不正常，但两者结构不同。ospks1 ospks2 花药外壁角质层减少；绒毡层无法正常降解。小孢子表面无花粉外壁。说明两者对于花粉外壁内部结构和乌式体形成的功能不同，共同调控花粉外壁、花药外壁的形成和绒毡层的降解。此外，本项目针对水稻的FAB1/PIKfyve家族成员成员进行细致的分析，并通过反向遗传学手段对各成员对水稻育性的作用做了分析。.本项目关注到了一个在绒毡层PCD和花粉外壁发育起始的时期特异表达的一个钙调素蛋白基因CML41，并通过体外实验验证了水稻花粉发育关键转录因子对CML41的调控作用。cml41单突变体的育性、花粉发育以及花粉外壁发育正常，后续将对CML41的家族成员进行多突变体的构建，进一步揭示CML41对水稻花粉发育的机制，并解析钙离子调控绒毡层PCD的分子机制。本项目通过代谢组学和进化分析筛选到3个黄酮类物质合成关键基因，通过反向遗传学研究证明三者对水稻育性的调控。后续拟针对这三个基因进行深入细致的研究，揭示水稻黄酮类物质调控育性的机制。