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水稻是我国最主要的粮食作物,也是单子叶植物研究的模式生物。水稻产量相关基因的克隆与鉴定一直是科学工作者研究的重点,对水稻育种具有重要的理论意义和应用价值。
我们从本实验室构建的水稻突变体库中筛选得到了3个淀粉累积缺陷等位突变体(starch-accumulation defective1,std1)。std1突变体的主要表型为营养生长缓慢,分蘖数减少,单株结实率低。进一步研究表明,std1叶片和叶鞘中淀粉含量在整个昼夜周期内和各个发育阶段都比对照显著减少,还原性糖水平显著上升。扫描电镜观察表明茎杆中的淀粉颗粒累积同样减少。
通过图位克隆方法分离得到STD1基因,其开放读码框长度为1397 bp,编码含340个氨基酸残基的未知功能蛋白,功能互补实验证实了突变体的表型是由STD1控制的。GUS报告基因表达与RNA原位杂交实验表明,STD1在幼叶、腋芽、花序原基、花药、幼胚和根尖等部位高度表达,暗示了STD1主要参与新生组织的发生。GFP-STD1融合蛋白瞬时表达证实STD1定位于叶绿体(质体)中。系统进化分析表明,STD1在绿色植物中是一个进化上保守的蛋白。重组蛋白的体外酶活测定及对酵母gall0Δ突变体的功能互补实验证明,STD1具有UDP-Glc4-差向异构酶活性,而且保守残基D255对STD1的催化活性是不可或缺的。qRT-PCR分析表明,STD1的表达受半乳糖处理的诱导,std1中半乳糖代谢的Leloir挽救途径被活化,STD1的胞质型异构体OsUGE1和OsUGE4表达上调。
对源器官(成熟叶片)中碳水化合物代谢及转运相关基因的表达分析表明,std1中淀粉合成关键基因的表达下调,部分淀粉降解基因的表达上调。同时,参与蔗糖裂解的酶SuSy1和INV1/3表达上调,蔗糖转运体SUT3/5表达下调。对种子灌浆期碳水化合物的代谢动态分析表明,std1种子的灌浆速率下降,胚乳中淀粉累积变慢、总量减少。转基因实验表明,过量表达STD1可以促进光合效率,增加分蘖数目和干物质积累,并提高了单株产量。
通过以上结果,我们认为STD1调控源器官的碳水化合物代谢平衡、光合产物的分配和转运,影响库器官的碳源供应及植物生长发育,对分子育种实现遗传改良具有理论和实践意义。