PTB1控制水稻结实率的分子机制和调控网络

Panicle seed-setting rate (PSSR) is one of the most important components of rice grain yield. However, the molecular mechanism underline PSSR regulation remains unknown. We previously cloned a PSSR controlling gene, POLLEN TUBE BLOCKED 1(PTB1), and proved it positively regulates rice PSSR by controlling pollen tube (PT) growth. The PTB1 gene, encoding a RING-type E3 ubiquitin ligase which was expressed preferentially in rice style, promotes PT growth by controlling the amount and growth depth of PTs in style transmitting tract, resulting in a major modulation of rice PSSR. Rice PSSR significantly correlates with natural variation of PTB1 expression and be enhanced by PTB1’s up-regulation. In the present study, we aim to isolate the direct target of PTB1 protein by employing an integrative method of protein-protein interaction, such as Yeast two-hybrid and Co-IP, and to sketch the regulatory network of PTB1 gene by Transcriptomic and protemic analysis. Our results will reveal the molecular mechanism and regulatory network of PTB1 as a key maternal sporophytic factor of PT growth and the principal modulator of rice PSSR, which will give new insights for rice PSSR regulation and immediate implications for rice yield improvement.

结实率是水稻重要的产量构成因子之一。我们之前利用一个低结实率突变体，成功克隆了一个控制水稻结实率的主效基因PTB1，并证实其通过控制水稻花粉管生长从而正向调控结实率。PTB1基因编码一个RING型E3泛素连接酶，主要在花柱中优势表达，具有促进花粉管在生殖道中生长的深度和数量的功能，从而直接调控水稻结实率的高低。PTB1是首次克隆的水稻结实率关键基因，但其分子机理和调控网络还不清楚。由于PTB1蛋白具有E3泛素连接酶活性，推测其可能特异地泛素化降解了一个对花粉管生长具有抑制作用的负调控因子，从而促进花粉管的生长。因此，获取PTB1的互作蛋白是揭示其控制结实率的遗传机理的关键。本研究拟在上述研究的基础上，运用酵母双杂交、免疫共沉淀等蛋白互作的方法分离PTB1蛋白的直接作用靶标，明确PTB1控制水稻结实率的分子机理；并综合运用转录组学、蛋白组学及功能验证的方法探讨该基因影响结实率的可能调控网络。

结实率是水稻重要的产量构成因子之一。我们之前克隆了一个控制水稻结实率的关键基因PTB1，并证实其通过控制水稻花粉管生长调控结实，但其分子机理和调控网络还不清楚。本研究拟运用酵母双杂交等方法分离PTB1的直接互作蛋白，以明确PTB1控制水稻结实率及花粉管生长的分子机理，并综合运用转录组的方法探讨该基因影响结实率的可能调控网络。本研究利用PTB1蛋白筛选水稻穗部发育文库，获得了可能与PTB1互作的新蛋白OsPPI1，经进一步的BIFC确认，二者能发生直接互作，且PTB1蛋白的跨膜结构域和OsPPI1蛋白C-末端是PTB1-OsPPI1互作必须的。利用CRISPR-Cas9策略将OsPPI1基因敲出，结果显示敲除植株结实率下降，同时表现花粉管生长受阻表型。进一步研究发现OsPPI1能与OsHA4/6/7在酵母体内发生互作，BIFC试验发现OsPPI1与OsHA6能在烟草细胞内发生直接互作。利用CRISPR-Cas9系统将OsHA6基因敲除，结果显示敲出植株结实率出现一定程度下降，并表现花粉管生长受阻类似表型。该结果提示OsPPI1可能通过OsHA家族影响花粉管生长从而影响水稻结实。转录组分析显示， CaM/CML、CHX、CHIT/Pectin、Hsp和蛋白酶抑制因子基因家族，以及多种植物激素相关基因在突变体中显著下调。多个差异表达基因在Protein processing in endoplasmic reticulum和Oxidative phosphorylation代谢通路中富集，推测这两条通路与PTB1-OsPPI1-OsHAs调控花粉管生长密切相关。本研究将发现一条新的控制水稻花粉管生长和结实率的遗传途径，对提高水稻结实率具有一定应用价值。