水稻蛋白品質形成關鍵基因的功能研究

《水稻蛋白品質形成關鍵基因的功能研究》是萬建民為項目負責人，南京農業大學為依託單位的重點項目。

基本介紹

• 中文名：水稻蛋白品質形成關鍵基因的功能研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：萬建民
• 依託單位：南京農業大學

項目摘要

谷蛋白是稻米中最主要的儲藏蛋白，其含量和組成直接影響稻米的品質。成熟谷蛋白的形成需要經過複雜的轉運途徑，任一過程的缺陷都有可能導致谷蛋白以前體的形式積累，所以前體增加突變體是研究谷蛋白轉運、積累途徑的優良材料。雖然谷蛋白前體增加突變體的報導並不鮮見，但鑑定出的基因相對較少。前期研究中我們篩選獲得了20多個突變體，並克隆了谷蛋白成熟關鍵基因OsVPE1、谷蛋白後Golgi體運輸關鍵基因GPA1/OsRab5a；最近我們又克隆了3個谷蛋白轉運途徑關鍵基因GPA2/OsVPS9a、GPA3/OsKelch1和GPA4/OsGot1，且OsVPS9a與OsRab5a、OsVPS9a與Oskelch1均互作。本研究將採用各種技術手段探討上述基因各自參與調控谷蛋白轉運及協同調控谷蛋白轉運的分子機制，為最終闡明谷蛋白的合成轉運積累途徑奠定基礎，為稻米的蛋白品質改良提供理論支撐。

結題摘要

蛋白質是稻米中主要的營養物質，其含量和組成直接影響稻米的各項品質指標。稻米中的儲藏蛋白分為可消化的谷蛋白、球蛋白和不可消化的醇溶蛋白，其中谷蛋白約占60-80%，因此是稻米品質改良的首選目標。對谷蛋白合成轉運的研究將有助於改良稻米的蛋白品質。本研究以兩個谷蛋白前體增加突變體gpa3和gpa4為研究材料，通過系統的表型鑑定和後續基因克隆及功能研究，對谷蛋白ER輸出和後高爾基分選兩個關鍵節點有了深入的理解。gpa3來自白豐B輻射誘變突變體庫，表現前體增加和粉質胚乳，詳細的細胞生物學鑑定發現GPA3中谷蛋白被錯誤分選到胞外，形成大量的棒狀的蛋白聚集體及壁旁體結構（paramural body，PMB）該結構中同時還包含大量的細胞壁物質pectin等，顯示谷蛋白的後高爾基體分選存在缺陷。圖位克隆顯示該基因編碼一個植物特有的Kelch-repeat domain蛋白。亞細胞定位表明GPA3定位於前液泡區室（Prevacuolar compartment，PVC）中，且GPA3能夠與GPA2/OsVPS9A互作，GPA3-GPA2-GAP1形成功能性複合體，協同調控谷蛋白的後高爾基體運輸。gpa4來自9311輻射誘變系，在gpa4的發育胚乳中大量積累類似擬南芥Mag body的異常結構：一個谷蛋白的核，並被醇溶蛋白聚集體包圍。該結構由ER衍生，基因的突變造成谷蛋白在ER的大量滯留，導致嚴重的ER stress。GPA4編碼一個Golgi-transport 1 B（GOT1B），細胞內定位於內質網輸出位點（ER exit site, ERES），同時我們還發現GOT1B能夠與介導蛋白ER-Golgi運輸的COPII（coat protein complex II）的組分Sec23存在互作，突變不影響COPII組分的膜結合性，但卻使COPII的cycling變慢，大量的COPII組分滯留於ERES。本研究進一步證實谷蛋白ER-Golgi的運輸受COPII介導，且GOT1B通過調控COPII組裝從而控制谷蛋白的ER輸出。在項目的資助下，我們還新篩選獲得一批新的谷蛋白分選突變體，並採用圖位克隆的策略獲得十多個谷蛋白分選關鍵基因，這些基因的功能解析將逐步構建谷蛋白分選的分子網路途徑，為稻米的蛋白品質改良奠定良好的理論基礎。