OsPTR10基因在水稻氮素再利用中的调节机制研究

The rice nitrogen recycling and utilization is the process of nitrogen transporting from leaves and other senescence organs to the seeds. It plays an important role in accumulation of organic nitrogen at rice grain filling period, ultimately formation of grain yield. OsPTR10 is a homologous gene of PTR family in rice. OsPTR10 could transport dipeptide gly-leu, Ala-Gln. The results was also shows that OsPTR10 may be involve in the regulation of rice nitrogen recycling and utilization, and grain filling through the mutant and transgenic plants such as over-expression, RNAi of OsPTR10. On this basis, this project intends to analysis the spatial and temporal expression pattern of the gene in the leaves, stems, and filling grains, and measure the dynamic changes of total nitrogen, protein, and amino acids through mutant, over-expression and RNAi of transgenic plants. At the same time, we also will analysis the changes of leaf morphology, expression of related genes, activities of related enzymes in the process of nitrogen degradation and recycling. We want to reveal how does OsPTR10 regulate the nitrogen recycling and utilization, thus affects the grain filling. This project aims to clarify the molecular mechanism of nitrogen utilization in plants, and provide the practical basis for the efficient utilization of the nitrogen in molecular breeding.

水稻氮素的再利用是指叶片等衰老器官向种子运输氮素的过程，在水稻籽粒灌浆期积累有机氮，最终形成产量上发挥着重要作用。OsPTR10基因是水稻寡肽运输基因家族（PTR）中的一个同源基因，前期通过OsPTR10基因的突变体及超表达、RNAi植株分析结果初步显示，该基因可能参与了水稻氮素再利用的调节，并影响了籽粒的灌浆结实。本项目拟在此基础上详细分析基因在植株叶片、茎、灌浆籽粒中的时空表达模式，并利用突变体及其他转基因植株动态测定叶片、茎、灌浆籽粒等部位的总氮、蛋白质、各种氨基酸含量，同时通过了解氮素降解和再分配中相关基因表达量、酶活性等变化，揭示OsPTR10基因如何通过氮素再利用的调节从而影响了籽粒的灌浆结实。项目旨在阐明植物体内氮素利用的分子机制，为以氮素高效利用为目标的分子育种实践奠定基础。

OsPTR10基因是水稻NPF家族基因成员，项目前期通过osptr10基因的突变体发现，基因在氮素再利用和水稻生长发育上起着重要作用。本项目研究中发现了此基因表达上有两种选择性剪接方式，并由此展开了基因的功能研究，结果表明：（1）基因在不同氮浓度和不同氮素形式下有两种不同的剪接方式表达，随着氮浓度提高，分蘖芽中两种剪接表达均下降。在水稻不同品种中，均存在第二种剪接方式。（2）基因在水稻分蘖芽伸长的基部和穗等分枝器官中表达量较高，第一种剪接方式蛋白定位在质膜上，第二种剪接方式蛋白定位在液泡膜上。（3）两种剪接方式单独超表达均能够提高水稻根表面积、根直径、根体积和根分枝数，促进分蘖芽伸长，增加叶片长度和宽度，干扰和突变体植株中下降。（4）突变体互补实验进一步表明，第二种剪接方式主要调控水稻地上部分分枝，而第一种剪接方式除了调控分枝，还调控株高。（5）第二种剪接方式表达的改变，更能系统的影响水稻氮运输基因和氮同化基因的表达，OsPTR10基因表达提高有利于游离氨基酸由根部由茎向上运输，使叶片氨基酸含量增加；基因表达下降导致根和茎氨基酸积累，叶片中氨基酸下降。（6）基因主要通过影响水稻氮素再利用中的可溶性蛋白等释放，影响水稻叶片衰老和种子灌浆，超表达OsPTR10基因能够通过增加水稻每穗粒数提高产量。（7）超表达OsPTR10基因能够在低氮和中氮下提高水稻秸秆中的氮含量，并能够在不同氮肥下提高水稻米粒中的氮含量。以上结果揭示了NPF家族一个重要成员OsPTR10不同剪接方式对氮素利用和水稻生长发育的调控作用，基因在改善水稻氮素利用的分子育种中有较好的应用前景，相关研究结果已经申请国家发明专利。