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SUMO（small ubiquitin-related modifier）化修饰是近年来发现的一种广泛存在的翻译后修饰形式，参与植物体的多种生命活动。SIZ（SAP and Miz finger domain）是SUMO化修饰途径中的E3连接酶，它在很大程度上决定了靶蛋白的特异性。 磷和氮是植物体生长发育所必须的大量元素。磷是核酸、脂类及一些含磷蛋白酶的结构组分，参与植物体光合作用、信号转导及能量转移过程。由于土壤中磷的有效性很低，限制作物根系对磷的吸收和利用。氮是植物体生长发育需要量最多的矿质元素，是蛋白质、核酸和一些激素的结构组分，广泛参与植物体多种生命活动。铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)是植物体吸收利用的两种主要氮素形态。土壤中氮素浓度很低，并且容易流失，往往不能满足作物对氮素的需求。因此，磷素和氮素是农业生产中作物产量的限制因子。 本论文通过拟南芥SUMO化修饰E3连接酶基因AtSIZ1在水稻基因组数据库中找到两个同源基因，命名为OsSIZ1和OsSIZ2。利用OsSIZ1组织定位材料、OsSIZ1和OsSIZ2的基因缺失突变体及OsSIZ1过表达材料研究了OsSIZ1和OsSIZ2在水稻生长发育及磷素和氮素的吸收、转运及分配中的功能。主要研究结果如下: 1.根据拟南芥中已经报道的结果，在水稻中找到SIZ的同源基因OsSIZ1和OsSIZ2。通过Blastp比对分析，在其它作物玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、谷子（Setaria italica）、大麦（Hordeum vulgareL.）、大豆（Glycine max）、棉花（Gossypiumraimondii）、菜豆（Phaseolus vulgaris）、苜蓿（Medicago truncatula）中得到SIZ的同源基因。通过多序列比对和进化树分析发现，SIZ同源基因在单子叶作物和双子叶作物中具有明显的分离。OsSIZ1和OsSIZ2编码的蛋白序列中均含有PIAS类型E3连接酶特征性的五个保守结构域:SAP、PHD、PINIT、SP-RING及SXS。OsSIZ1在进化关系上比OsSIZ2更接近AtSIZ1，并且OsSIZ1和OsSIZ2作用可能不同。 2.通过分析芯片结果、定量PCR检测及组织定位材料的分析，发现OsSIZ1和OsSIZ2在水稻不同发育时期和不同组织器官中均有表达，并且OsSIZ1表达丰度高于OsSIZ2。通过不同缺素处理发现，OsSIZ1在根中受缺钾处理表达上调，对其它缺素处理响应不明显;OsSIZ2在叶片中受低氮处理表达上调，在根中受缺钾处理表达上调，对其它缺素处理响应不明显。 3.通过对野生型、ossiz1、ossiz2及OsSIZ1基因过表达材料的分析，发现OsSIZ1和OsSIZ2突变严重影响水稻生长与发育，极其显著地降低了籽粒产量。OsSIZ1对生长与发育的影响更为显著，体现在生物量、株高、分蘖、穗长、穗分支数、结实率及千粒重等在野生型WT、ossiz1和ossiz2之间的差异。OsSIZ1和OsSIZ2突变对种子长度的影响不同，OsSIZ1突变导致种子长度减小，而OsSIZ2突变导致种子长度增加。OsSIZ1突变还影响了花器官的发育，ossiz1结实率虽然远低于野生型，但花粉育性与野生型无明显差异。过表达OsSIZ1也导致植物体株高降低、分蘖增加。以上结果说明OsSIZ1对植物体生长发育有重要作用。 4.不同磷水平处理水培试验、盆栽及大田试验结果表明，OsSIZ1突变影响对磷的吸收和生长后期磷在体内的转运与分配。OsSIZ1突变导致体内磷水平提高，并且根系磷浓度增加的幅度高于地上部，说明OsSIZ1突变可能影响了磷由根系向地上部的转运。在生长后期，OsSIZ1突变改变了体内磷的分配。在成熟期，野生型叶片全磷浓度由新叶到老叶逐渐降低，而ossiz1中最新的叶片中全磷浓度与野生型无显著差异，但其全磷浓度由新叶到老叶逐渐升高，老叶中全磷浓度显著高于野生型。野生型地上部有大约32.5％和67.5％的磷分别分布于营养器官和繁殖器官中;对于ossiz1-1/2，则分别有75.9％/79.1％和24.1％/20.9％的磷分别分布于营养器官和繁殖器官中，并且OsSIZ1突变导致磷在茎秆中积累最多。 5.对磷信号通路相关基因表达的分析发现，OsSIZ1突变可能降低了对低磷胁迫的分子响应，并且对Pht1家族磷转运蛋白基因的表达具有双重作用。受低磷诱导表达增强的PSI（Phosphorus-starvation induced）基因如OsIPS1、OsSPX1/2、OsPT2/3/4/6等的表达在ossiz1中受到抑制。响应外界磷浓度的系统信号OsmiR399a的表达也受到抑制，而OsmiR399a的靶基因OsPHO2则在ossiz1中表达上调。ossiz1中OsPT1在低磷条件下表达上调，OsPT8表达上调并且不受外界磷浓度影响。对转录因子OsPHR2和OsMYB2P-1的表达分析发现它们在ossiz1中具有不同的表达模式，缺磷诱导二者表达水平与野生型一致。与体内磷转运与分配相关基因OsPHO1成员在ossiz1中不同时期、不同部位具有不同的表达模式。以上结果表明，OsSIZ1对磷信号转导途径相关基因的表达具有多重效应，说明OsSIZ1很可能位于磷信号通路的上游影响了下游不同的信号转导途径。OsPHR2、OsMYB2P-1和OsPHO1成员编码的蛋白序列中含有SUMO化修饰的识别位点序列，说明OsSIZ1有可能通过作用于转录因子OsPHR2和OsMYB2P-1影响下游基因的表达，并通过对OsPHO1成员的调控影响体内磷的转运与分配。 6.与磷相似，OsSIZ1突变提高了体内氮的浓度。与野生型相比，OsSIZ1突变显著提高根系氮浓度，但没有改变地上部氮浓度。在生长后期，ossiz1中不同部位叶片的全氮浓度均显著高于野生型，并且由新叶到老叶氮浓度逐渐降低，说明OsSIZ1突变没有明显改变氮在叶片中的转运。但是，ossiz1中茎秆不同部位的氮浓度不同，ossiz1穗杆中氮浓度为野生型的两倍左右，而在穗杆以下的茎节与野生型无显著差异。野生型地上部有大约50.4％和49.6％的氮分别位于营养器官和繁殖器官中;对于ossiz1-1/2，则分别有72.5％/78.2％和27.5％/21.8％的氮分别位于营养器官和繁殖器官中，且ossiz1中氮在叶片中的分配最多，说明OsSIZ1突变可以改变氮在体内各主要器官中的分配。 7.硝酸还原酶（Nitrate reductase，NR）和谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)是氮代谢过程中的关键酶。与野生型相比，ossiz1中硝酸还原酶Nfa1和Nfa2及谷氨酰胺合成酶GS1.1和GS1.2表达上调，而GS2表达受到抑制。说明OsSIZ1突变影响体内的氮代谢过程，并可能与氮素的供应浓度和形态有关。 8.为探究ossiz1低结实率对其它部位尤其是营养器官中磷浓度和氮浓度的影响，通过在花期挤压或摘除小花进行模拟ossiz1低结实率的试验。结果表明，低结实率对营养器官（叶片、茎秆）中磷浓度的影响不大，对繁殖器官（穗柄、瘪壳及种子）磷浓度的增加有一定的影响，但没有影响种壳的磷浓度;低结实率对除种壳外的各部位氮浓度的提高均有一定的影响。但是，低结实率无论是对各部位磷浓度还是氮浓度的影响都没有ossiz1中各部位磷浓度和氮浓的增加那样显著。因此，OsSIZ1可能直接参与体内磷和氮的转运与分配，而OsSIZ2突变对体内磷和氮转运与分配的影响有可能是结实率显著降低间接导致的结果。 综上所述，OsSIZ1/2对水稻的生长与发育具有重要作用，与OsSIZ2相比，OsSIZ1对生长发育的作用更为显著。OsSIZ1同时参与磷和氮的吸收、转运与分配，并且影响并不一致。OsSIZ1可能通过介导各自相关信号（代谢）途径中关键基因编码产物的SUMO化修饰参与对磷素和氮素的吸收利用。