一个新的孤儿基因OsCPY在水稻抗逆应答及垩白形成中的功能研究

Two important aims of rice breeding are improving yield and quality. Abiotic stress in environment and chalkiness in grain are suppression factors in yield and quality, respectively. We cloned a new orphan gene OsCPY from salt and drought treated rice root cDNA library. Our preliminary results showed the expression of OsCPY was regulated by salt, drought and cold stresses. Compared to wiled type rice, Grain qualities of the OsCPY T-DNA inserted mutant improved in head rice rate (65.5% vs 58%), chalkiness rate (34% vs 46%) and chalkiness score (3.7% vs 5.5%). Many genes expression level also changed in the mutant, which were identified to correlate with chalkiness formation, such as GIF1, RSR1, GW2, etc. The aim of this project is to study the functions of OsCPY in abiotic stress tolerance and roles in chalkiness formation by comparative analysis of wild type, over-expression transgenic and T-DNA inserted mutant rice. The detailed function mechanism will be explored systematically from cellular level, physiological and biochemical level, metabolism level and gene regulatory network. This project will fills the research gap of the orphan gene functions in abiotic stress resistance and chalkiness formation. It will provide the basis for rice stress resistance breeding and grain quality improvement.

提高产量和米质，是水稻育种的两大重要目标。非生物胁迫和垩白分别是降低水稻产量和米质的重要因素。我们从盐和干旱胁迫下水稻根cDNA文库中克隆了一个新的孤儿基因，OsCPY。初步研究表明，OsCPY的表达受到了盐、干旱胁迫的调控。同时，与野生型相比，OsCPY基因插入突变体（cpy）在整精米率（65.6%/58%）、垩白粒率（34%/46%）垩白度（3.7%/5.5%）等数值上都有改进.且cpy中，GIF1，RSR1，GW2等已鉴定与垩白形成相关基因的表达也发生了相应改变。在本课题中，我们利用转基因技术过量表达OsCPY基因,通过对过表达植株与cpy突变体的比较，由表型深入到细胞、生理生化代谢水平确认该基因在逆境胁迫和垩白形成过程中的功能，利用数字基因表达谱技术初步分析该基因参与的抗逆和垩白形成分子机制。本研究将填补孤儿基因在水稻抗逆及垩白形成研究的空白，并为水稻抗逆育种和米质改善提供依据。

提高产量和米质，是水稻育种的两大重要目标。非生物胁迫和垩白分别是降低水稻产量和米质的重要因素。我们从盐和干旱胁迫下水稻根cDNA文库中克隆了一个新的孤儿基因，OsCPY。在农作物中，鲜有对该类基因的研究和报道。在本项目中，我们首先对该基因的基本生物学特征进行了分析，发现该基因在叶组织的表达量最高，根组织次之，在茎组织表达量最低。同时，我们对OsCPY蛋白的亚细胞定位情况进行了研究，发现该蛋白主要定位于质体中。在多种非生物胁迫和激素处理条件下，OsCPY基因的均下调表达，说明该基因可能广泛参与了水稻对外界环境胁迫的应答和生长发育的调节，通过降低OsCPY基因的表达，可能可以增强水稻苗期对各逆境的耐受能力。我们利用T-DNA插入突变体、RNAi、过表达等转基因材料证明降低OsCPY的表达量（RNAi，突变体）能够提高水稻的耐冷和耐盐能力，提高Oscpy的表达量（过表达植株）则抑制了水稻对冷和盐的耐受力。. 与野生型相比，OsCPY基因突变体的种子垩白率明显降低，比较野生型和突变体之间在不同灌浆时期的基因表达，GIF1、RSR1、GW2等已鉴定与垩白形成相关基因的表达随着灌浆的发生了相应的变化。这些数据表明OsCYP基因可能在灌浆中后期调控胚乳中淀粉的积累和垩白的形成。. 在本项目的执行过程中，我们发现了Oscpy基因的下调表达能够促进正常及低温条件下水稻苗期的生长，以及缺氧条件下水稻种子的萌发能力，相关机制还在进一步的研究中。