水稻极度矮化基因STD1的图位克隆与功能分析

Dwarfism is a major phenotypic trait in rice breeding. Rice dwarfism is caused not only by defects in gibberellin and brassinosteroid biosynthesis or signaling, but also defects in cell division and expansion. Cell division is an important process for higher plants. However, the underlying molecular and cellular mechanisms of cell division regulation of rice height are still poorly understood. We isolated the rice std1 mutant showing stemless and severely dwarfed phenotype from a gamma radiation-mutagenized population of the japonica cultivar F2-285. The std1 mutant was not GA-responsive and has a severely dwarfed phenotype. Consistent with this, abnormal cell shapes and disorganized cell arrangements and dramatically reduction of cell number were found in the std1 mutant. All of these may be indicative of abnormal cytokinesis during cell division. We cloned the responsible gene STD1 using a map-based cloning approach. STD1 encodes a kinesin-related protein which is a novel member of kinesin superfamily. Kinesins superfamily performs diverse functions as motor proteins, including the transport of vesicles and organelles using microtubules as tracks. They also help to regulate microtubule organization during cell division. We will further use biochemical and cytological methods to reveal the molecular and cellular mechanisms of STD1 in regulating cell division to affect rice height.

矮化是水稻育种中重要的表型指标之一。水稻矮化除与赤霉素和油菜素内酯等激素相关外，也可能是由细胞分裂或生长缺陷造成。高等植物的细胞分裂是一个重要过程，然而水稻中调控细胞分裂进而影响株高的分子及细胞机制所知甚少。通过筛选γ射线辐射诱变粳稻品种F2-285，获得了一个极度矮化且无茎的突变体std1(stemless and severely dwarfed 1)。它具有严重的矮化表型，对GA信号不响应，其细胞形状和排列异常，细胞数目极显著降低，暗示该突变体细胞分裂过程中胞质分裂出现了异常。利用图位克隆的方法获得了候选基因STD1，该基因编码一个类驱动蛋白，是驱动蛋白超家族的新成员。驱动蛋白超家族是细胞内重要的马达蛋白，不仅参与细胞器和囊泡沿微管的运输，同时对细胞分裂过程中微管组织具有重要的调控作用。我们将进一步利用生化及细胞生物学的方法，明确该基因调控细胞分裂进而影响水稻株高的分子及细胞学机制。

植物的生长发育是一个极其复杂的过程，受到遗传调控以及外界环境的影响，这些因素最终通过细胞分裂和细胞扩展控制各个器官的生长。以往研究表明，驱动蛋白超家族对细胞分裂过程中的微管组织具有重要的调控作用，目前水稻中已鉴定的驱动蛋白超家族成员主要作用于细胞扩展，其对细胞有丝分裂的调控及其分子机制却知之甚少，尤其是其ATP酶的生物学功能还不是很清楚。在我们的研究中，筛选获得一个极度矮化无茎突变体std1(stemless dwarf1)，它具有严重的矮化表型，没有节和节间的分化。同时其细胞形状和排列异常，叶片分裂区缩小且分裂速率降低。进一步分析发现，std1突变中更多的细胞被阻滞在了S期和G2/M期，并存在多核膨大的细胞。利用图位克隆的方法获得了候选基因STD1，编码一个与拟南芥PAKRP2同源的成膜体相关的类驱动蛋白，主要在分裂旺盛的组织表达。STD1特异性地分布于细胞分裂末期及胞质分裂期成膜体中央位置。在std1突变体中，STD1马达结构域的第40位缬氨酸突变为谷氨酸后，将严重降低其微管依赖的ATP酶活性，导致成膜体的扩展受到阻滞。由于成膜体的侧向扩展是胞质分裂过程中细胞板形成的关键步骤，因此在std1突变体中形成了不完整的细胞板。这些结果表明类驱动蛋白在水稻生长发育中具有重要调控作用，并且其ATP酶活性对于水稻正常的细胞分裂和器官发育是必不可少的，进一步深化了人们对植物矮化的机理认识。