项目简报--第五期

2013年8月

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8月6日,国家重大科学研究计划“植物胚乳发育及储藏物质累积的分子调控机制研究”项目中期总结会议在上海召开。出席总结会的有973计划农业领域顾问组成员许智宏院士、李家洋院士、朱作言院士,生殖发育专项跟踪专家薛勇彪研究员,中科院上海生科院院长陈晓亚院士、林鸿宣院士、韩斌研究员,扬州大学顾铭洪教授,北京大学瞿礼嘉教授,中国农业大学叶德教授,山东农业大学张宪省教授,华南农业大学刘耀光教授,以及各课题的负责人和学术骨干。

项目首席科学家薛红卫研究员对与会专家表示欢迎,对专家们在项目申请组织、运行管理中给予的支持和指点表示感谢。陈晓亚院长代表依托单位对项目中期总结会的召开表示祝贺,并表示依托单位将全力支持项目的工作。

薛红卫研究员就项目立项以来的组织落实情况、主要工作进展等做了介绍,项目凝聚了来自中科院上海生科院植物生理生态研究所、中科院遗传与发育生物学研究所、北京大学、武汉大学、扬州大学、浙江农科院的优秀团队,以水稻和拟南芥为材料,聚焦植物胚乳发育及储藏物质累积的分子调控机制。启动近两年来在水稻胚乳发育关键控制基因的分离、早期胚乳发育、胚乳淀粉代谢和累积的调控机制及胚乳发育的表观遗传调控等方面取得了较好的成果,发表通讯作者SCI论文29篇,其中影响因子5分以上的16篇,申请发明专利11项。

杨贞标研究员、郭房庆研究员、朱英研究员、薛红卫研究员分别汇报了课题的进展情况和下一步工作计划。

与会专家认真听取汇报后,对项目立项以来的工作、研究成果和研究前景给予了高度评价,并对今后的工作重点及发展方向等提出了重要建议和指导意见。专家们指出,希望本项目承担团队发挥在该领域的现有优势,集中目标、创新开拓、突出亮点,努力成为国际一流的植物胚乳发育研究团队,为国家农业发展的战略需求提供科技支撑。

代表性成果:

  1. Qi P, Lin YS, Song XJ,Shen JB, Huang W, Shan JX, Zhu MZ, Jiang LW, Gao JP, Lin HX. (2012) The novel quantitative traid locus GL3.1 controls rice grain size and yield by regulating cyclin-T1;3. Cell Research 22(12):1666-1680.
  2. 粒型是决定水稻粒重个关键因素,是由多个基因控制的数量性状,遗传基础复杂。近年来,虽然一些控制水稻粒型/粒重的QTLs相继被克隆,如控制粒宽的基因GW2、GW5/qSW5、GS5、GW8,控制粒长的基因GS3等,但是对水稻粒重形成的分子调控机理仍了解不多。经过近十年的努力,项目组成功分离克隆了第二个控制水稻粒长/粒重的主效QTL GL3.1,并阐明了其作用机理。该研究发现了一个由新型磷酸酶GL3.1介导、通过改变Cyclin-T1;3磷酸化状态控制颖壳细胞分裂,进而调控籽粒大小、粒重和产量的新途径。

  3. Lin-Lin Yin and Hong-Wei Xue. (2012) MADS29 regulates the degradation of the nucellus and the nucellar projection during rice seed development. The Plant Cell 24(3):1049-1065.
  4. 分析得到了一个在水稻生殖发育阶段优先表达的转录因子MADS29。细致分析表明MADS29在花药、胚珠和种子中均表达,且在受精后的母体组织表达量最高。MADS29的反义转基因植株呈现种子皱缩,淀粉粒形态异常,灌浆速率下降等表型。通过解剖学切片、末端转移酶标记实验和全基因组表达谱芯片分析等证明了MADS29通过调控程序化死亡(PCD)过程促进珠心细胞和珠心突起处的降解。进一步的体外凝胶阻滞实验显示MADS29能够通过直接结合程序化死亡相关基因的启动子区域而调控其表达,进而影响胚乳发育。

  5. Tong HN, et al. (2012) DWARF AND LOW-TILLERING acts as a direct downstream target of a GSK3/SHAGGY-like kinase to mediate brassinosteroid responses in rice. The Plant Cell 24(6):2562-2577.
  6. 油菜素内酯(BR)是一类重要的植物激素,在调控植物株型、种子大小等方面具有重要功能。我们通过大规模筛选突变体库,获得了一个对BR不敏感的突变体dlt,该突变体表现为半矮、少分蘖、种子千粒重增加等性状。通过图位克隆,证明该基因编码一个植物特异的GRAS蛋白成员,是水稻BR信号传导中一个新的关键调控因子,并证实该基因为水稻中GSK3/SHAGGY-like激酶的直接底物。

  7. Wang JC et al. (2012) OsbZIP58, a basic leucine zipper transcription factor, regulates starch biosynthesis in rice endosperm. Journal of Experimental Botany 64(11): 3453-3466.
  8. 利用突变体和RNAi转基因纯合系对OsbZIP58转录因子进行了深入的研究,发现其参与了协同调控水稻胚乳中淀粉的合成。OsbZIP58基因在水稻未成熟种子的胚乳中表达,表达方式与种子中淀粉合成时期较一致。OsbZIP58基因的T-DNA插入突变体和RNAi转基因植株种子呈现腹白表型,总淀粉含量和表观直链淀粉含量下降。osbzip58突变体种子中支链淀粉的短链部分增加、中等长度链减少。在突变体和RNAi转基因纯合系未成熟种子中,大部分淀粉合成酶的表达随转录因子基因表达受抑制后发生明显的变化。生化实验表明,OsbZIP58直接结合并调节淀粉合成酶类基因的表达,包括OsAGPL3、Wx、OsSSIIa、OsSSIIIa、OsSSIVb、SBE1。上述研究证明了OsbZIP58基因参与调控水稻种子中淀粉的合成。

  9. Zhu LJ, et al. (2012) High-amylose rice improves indices of animal health in normal and diabetic rats. Plant Biotech J, 10(3):353-362.
  10. 淀粉分支酶(Starch branching enzyme, SBE)是支链淀粉合成中最关键的酶之一,在水稻主要有两个同工型,即SBE1和SBE3。分别以粳稻品种武香9915和粳糯稻广陵香糯为转化受体,通过农杆菌介导将构建的Sbe3- RNAi、Sbe1-RNAi、双反义Sbe结构导入水稻中,选育获得了一系列分别抑制不同SBE同工型的纯合转基因系。证明抑制不同SBE同工型表达对淀粉累积及稻米品质的形成作用差异较大。进一步实验表明,转基因水稻种子中两个内源分支酶表达受抑制和表观直链淀粉含量提高后:(1)抗性淀粉含量极显著增加,与未转化对照相比,平均增幅为14.5倍,蛋白质含量等其它组分也有不同程度的改变,但变幅不大;(2)转基因籽粒表现皱缩、糙米外观发黄、垩白增大、粒重下降;(3)籽粒发育过程中,转基因稻米及其对照胚乳干重增殖均呈“S”型曲线变化,花后第8天为转基因稻米及其对照粒重产生差异的一个重要转折点;(4)转基因水稻籽粒内部空隙增多,淀粉粒形态不规则、多数呈圆形和卵圆形,淀粉粒间排布不紧密;(5)转基因稻米淀粉中含有较多的中长链;(6)转基因稻米的抗溶解和抗糊化特性明显增强。

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