水稻是人类重要的粮食作物之一,同时在单子叶植物和禾本科作物的研究中发挥着至关重要的作用。Fruit-Weight2.2(FW2.2)基因最早在西红柿中被克隆,该基因能够控制果实重量。本实验组之前已经克隆水稻中Fruit-Weight2.2-Like(FWL)家族基因8个,并将其命名为OsFWL1~8,其中,OsFWL3缺失突变会增加种子的长度和重量,OsFWL5能调控植株高度。有研究报道,OsFWL5还参与调控种子重量及金属转运。然而,OsFWL家族基因在水稻中是否还有其他生物学功能,至今鲜有报道。本研究重点对水稻FWL家族基因中OsFWL1、OsFWL4和OsFWL7 3个基因的功能进行了研究,发现它们在水稻生长发育,镉(Cd)转运及叶片衰老等方面发挥着重要的作用,主要结果如下:1.OsFWL1主要在根系、叶鞘、茎和颖壳中表达,其上调表达会导致水稻植株矮化和分蘖数减少,其缺失突变会促使植株高度增加、种子变宽。进一步研究表明,OsFWL1能够被细胞分裂素诱导上调表达;细胞分裂素合成通路相关基因Os IPT7在OsFWL1超量表达植株中下调表达,在OsFWL1 T-DNA插入突变体osfwl1植株中上调表达。在细胞分裂素的处理下,osfwl1植株表现更敏感,其植株根系和地上部分长度显著变短。以上结果表明,OsFWL1调控水稻植株的高度、种子粒型和分蘖数,其调控机理可能与细胞分裂素信号路径有关。2.OsFWL4在根系、叶片和叶鞘等组织中均有较高的表达。经过Cd处理,虽然OsFWL4干涉植株在根长、地上部分长以及鲜重没有显著差异,但是其地上部分的Cd含量显著降低,且Cd从根向地上部分的转运速率显著低于野生型。此外,通过测定OsFWL4干涉植株和野生型植株的根,地上部分以及种子中的其它金属元素含量发现,OsFWL4干涉植株地上部分和种子中Mn的含量要显著低于野生型。以上结果表明,OsFWL4可能参与调控金属离子从根到地上部分的转运。3.OsFWL7在根、颖壳、叶片和茎等组织中均有表达,而且OsFWL7在叶片的表达会随着叶龄的增加而升高,同一时期其在叶尖的表达要高于叶中部及基部。相比野生型(TNs)水稻,OsFWL7超量表达植株的高度、茎节长度、穗长以及百粒重均显著减少,且表现出明显的早衰现象。通过对超量表达材料茎节的石蜡切片观察及统计发现,其茎节长度减少的原因是细胞数目减少。此外,超量表达家系叶片的光合作用效率、Fv/Fm、叶绿素含量均显著低于TNs。叶绿体的超微结构及相关生理试验发现,抽穗第24 d,超量表达家系叶片的叶绿体中基粒内囊体数目减少,且出现大量的质体小球;第54 d,叶绿体几乎完全解体,活性氧物质(ROS)在超量表达植株叶片中大量积累;而且超量表达家系植株叶片的细胞死亡率显著高于TNs。在超量表达植株中,正调控衰老基因Osh69和Os I57的表达量都有上调,负调控衰老基因Os DOS的表达量下调;此外,正调控叶绿素降解基因Os NYC1、Os NYC3、Os RCCR1、Os PAO和Os NOL的表达量都显著上调。以上结果均表明,OsFWL7可能通过参与光合作用及抗氧化系统调控叶片早衰,同时影响植株的生长发育。为了更深入地研究OsFWL7调控叶片衰老的机理,我们对TNs植株和超量表达材料进行了转录组分析。上调表达的差异基因主要富集在小分子、有机酸和碳水化合物代谢等生物过程中,而且对渗透压、重金属镉和盐胁迫有响应;在分子功能方面,主要富集在水解酶和分解酶活性中。下调差异基因主要富集在光合作用过程、三磷酸甘油醛代谢过程、类异戊二烯合成和代谢过程、NADP代谢过程、异戊希二磷酸合成和代谢过程、葡萄糖磷酸代谢过程等生物过程。差异基因KEGG富集分析发现,上调差异基因主要富集在脂肪酸降解和α-亚麻酸代谢等途径;下调差异基因主要富集在光合作用、叶绿素代谢以及类胡萝卜素合成等途径。转录组分析的结果为后期更深入地研究OsFWL7调控叶片早衰的机理提供了参考和方向。此外,酵母c DNA文库初步筛选到22个与OsFWL7互作的蛋白。OsFWL7超量表达植株种子的发芽率低,且幼苗的根长和地上部分长度显著变短,生长明显受到抑制。OsFWL7被茉莉酸诱导后表达量上调,经过不同浓度茉莉酸甲酯(Me JA)处理后,OsFWL7超量表达植株比TNs对Me JA耐受性更强。在转基因阳性植株中(TPs),茉莉酸合成通路上相关基因Os LOX8、Os AOC1和Os OPR1的表达量显著上调。以上结果表明,OsFWL7可能通过茉莉酸信号路径调控植株叶片的衰老。