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转录因子OsERL1在水稻叶片形态发育中的分子调控机制研究

批准号:
31770195
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
张光恒
依托单位:
学科分类:
植物生殖与发育
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
李春生、苏岩、王忠伟、徐静、周梦玉、付雪

项目摘要

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项目成果

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中文摘要
叶片是水稻进行光合作用主要场所,是株型的重要组成部分,与产量密切相关。目前,在水稻中虽已克隆了20多个叶形发育相关基因,但相比拟南芥,研究还不够深入,尤其是转录因子对水稻叶片极性发育中的调控机制方面研究还鲜有报道。本研究在通过EMS诱变粳稻日本晴,分离获得半显性极卷叶突变体erl1基础上,利用图位克隆获得属于HD-ZIP III基因家族的半显性水稻叶片卷曲度调控转录因子OsERL1;借助遗传学、形态学和分子生物学技术,综合CHIP-seq与RNA-seq分析结果,并通过CRISPR/Cas9进行OsERL1调控靶位点和上下游相关互作基因的遗传功能验证, 解析OsERL1在水稻叶极性发育中分子机制及其调控网络;结合杂交水稻株型育种,探讨半显性叶形调控基因OsERL1育种价值,为超级稻分子设计育种奠定坚实的材料基础并提供理论指导。
英文摘要
As a principle organ in rice, leaf is involved in the function of photosynthesis. Leaf size is a major determinant of plant architecture and strongly affects yield performance. To date, more than 20 genes involved in leaf morphological development have been identified and characterized, but functional research on leaf development are not in-depth studied, compare with that in Arabidopsis thaliana, especially in the regulation mechanism of transcription factors on leaf polarity development. In a previous study, a semi-dominant extreme rolled leaf mutant erl1 was obtained from EMS-induced mutagenesis of japonica rice Nipponbare and identified. Map-based cloning indicated that semi-dominant leaf rolling transcription factor OsERL1 encodes a member of class III HD-ZIP gene family. Molecular mechanism and regulatory pathway on leaf polarity development were carried out by the use of technology of genetics, morphology and molecular biology, and integrated with the analysis result of CHIP-seq and RNA-seq. CRISPR/Cas9 gene knockout technology was used to verify the regulatory target sites of OsERL1 and the genetic interactions among genes involved in pathways. It is of great material foundation and theoretical guidance to further explore the regulatory network of rice leaf morphogenesis for molecular design breeding of super rice.
叶片是植物光合作用的主要器官,理想的叶片形态有利于提高产量。水稻产量与株型密切相关,两次绿色革命和水稻超级稻育种都是株型不断完善的结果。因此,挖掘水稻理想叶形种质对水稻生产具重要意义。. 本项目在通过EMS诱变粳稻日本晴,分离获得半显性极卷叶突变体erl1基础上,利用图位克隆获得属于HD-ZIP III基因家族的半显性水稻叶片卷曲度调控转录因子OsERL1。借助遗传学、形态学和CRISPR/Cas9基因编辑技术,发现ERL1基因内miRNA的识别位点序列的突变,导致miRNA165不能正常切割,致使ERL1过量表达,从而使近轴面维管束间的泡状细胞变小、数目下降,远轴面厚壁细胞消失;此外,维管束发育紊乱,维管束近轴面的薄壁细胞变大、数目增加等等,导致突变体叶片向近轴面卷曲。通过对上下游基因互作分析,发现OsERL1在水稻叶形发育调控网络中起到重要的核心作用。BiFC和pull-down实验结果表明, OsERL1与KANADI 基因家族叶形调控转录因子SLL1在细胞核和细胞质中存在直接互作,联合调节体内IAA水平,影响植株叶片形态;酵母单杂交和荧光素酶活性测定表明,OsERL1同时与OsAGO1a和OsASR1的启动子区域结合,影响OsAGO1a和OsASR1的表达,但生理功能不同。转录因子OsERL1通过抑制OsAGO1a的表达,调控水稻叶片形态发育;而OsERL1与OsASR1互作则是通过调控ABA响应外界环境的胁迫。另外,我们围绕OsERL1的互作基因OsSLL1开展育种亲本改良,利用单碱基替换使恢复系蜀恢527叶片中增加泡状细胞数目,使野生型平展叶片改变成半卷直立状态。叶片在相同光照情况下,可以增加受光面积;同时,半卷直立的叶片形态有利于在杂交制种过程中,提高恢复系散粉率,增加制种产量。. 通过本项目的实施,克隆叶形基因2个;获得基因专利2项,专利权转让1项。在Plant Cell Physiol、Int. J. Mol. Sci.和Plant Physiol. Biochem.等刊物上发表相关研究SCI论文6篇,累计影响因子20分以上。另外,目前处于投稿阶段论文1篇;培养出站博士后1名、硕士研究生2名。本项目的研究结果为水稻理想株型及超级稻分子设计育种奠定理论基础和材料基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Enhanced Expression of QTL qLL9/DEP1 Facilitates the Improvement of Leaf Morphology and Grain Yield in Rice
QTL qLL9/DEP1增强表达有利于水稻叶片形态和籽粒产量的提高
DOI: 10.3390/ijms20040866
发表时间: 2019-02-02
期刊: INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES
影响因子: 5.6
作者: [Fu, Xue, Xu, Jing, Zhang, Guangheng]
通讯作者: Zhang, Guangheng
Development of Rice Leaves: How Histocytes Modulate Leaf Polarity Establishment
水稻叶片的发育:组织细胞如何调节叶片极性的建立
DOI: 10.1016/j.rsci.2020.09.004
发表时间: 2020-11
期刊: Rice Science
影响因子: 4.8
作者: [Jiajia Wang, Jing Xu, Qian Qian, Guangheng Zhang]
通讯作者: Guangheng Zhang
DOI: 10.1111/pbi.13642
发表时间: 2021
期刊: Plant Biotechnology Journal
影响因子:
作者: [Jing Xu, Lianguang Shang, Jiajia Wang, Minmin Chen, Xue Fu, Huiying He, Zian Wang, Dali Zeng, Li Zhu, Jiang Hu, Chao Zhang, Guang Chen, Zhenyu Gao, Weiwei Zou, Deyong Ren, Guojun Dong, Lan Shen, Qiang Zhang, Qing Li, Longbiao Guo, Qian Qian, Guangheng Zhang]
通讯作者: Guangheng Zhang
The SEEDLING BIOMASS 1 allele from indica rice enhances yield performance under low-nitrogen environments.
籼稻的幼苗生物量 1 等位基因可提高低氮环境下的产量表现。
DOI: 10.1111/pbi.13642
发表时间: 2021-09
期刊: Plant biotechnology journal
影响因子: 13.8
作者: [Xu J, Shang L, Wang J, Chen M, Fu X, He H, Wang Z, Zeng D, Zhu L, Hu J, Zhang C, Chen G, Gao Z, Zou W, Ren D, Dong G, Shen L, Zhang Q, Li Q, Guo L, Qian Q, Zhang G]
通讯作者: Zhang G
共 8 条
    水稻多性状协同调控耦合效应及育种利用评 价
    • 批准号:
      D24C130001
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      0.0万元
    • 批准年份:
      2024
    • 负责人:
      张光恒
    • 依托单位:
    双链RNA结合蛋白协同调控水稻株型与抗逆性的耦合机制及育种利用
    • 批准号:
      32372125
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      50万元
    • 批准年份:
      2023
    • 负责人:
      张光恒
    • 依托单位:
    水稻光敏感卷叶基因PSL1分子调控机制及其抗逆育种利用研究
    • 批准号:
      31570184
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      63.0万元
    • 批准年份:
      2015
    • 负责人:
      张光恒
    • 依托单位:
    水稻叶形建成调控网络及其理想株型育种利用研究
    • 批准号:
      91335105
    • 项目类别:
      重大研究计划
    • 资助金额:
      100.0万元
    • 批准年份:
      2013
    • 负责人:
      张光恒
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金