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作为重要的粮食作物之一,水稻养活了近一半的世界人口,在稻谷产量诸多因素当中,株型起着至关重要的作用,而株高是影响株型和生物量的一个重要因素,由节间的数目和长度以及环境条件所决定,一直是科学家研究重点之一。株高主要由自身激素,包括赤霉素(GAs)和油菜素内酯(BRs)等来调控。当GA生物合成和信号转导途径被阻断时,植物的生长发育会受到影响,并最终影响到植株的结构,特别是株高。在本研究中,我们从籼稻品种明恢86(MH86)的大田里发现了一株隐性植株形态突变体(Plant architecture determinant, pad),该突变体在整个发育阶段,尤其在营养生长和生殖生长阶段展现出了明显的矮小表型。通过图位克隆,测序分析以及遗传互补实验等方法克隆了PAD基因,并对它的功能及其机理进行了研究。主要的结果如下：1.与野生型相比,突变体在营养和生殖生长阶段展现了明显不正常的表型,包括矮小的株型(包括营养期和成熟期),短小的茎,卷曲皱缩的叶片,短小的穗型以及不完全充实和株高降低。2.对突变体的种子形态学考察,与野生型相比,突变体的种子无论是稻谷或糙米,粒长与粒厚都明显的减小。与此相反,稻谷粒宽则在野生型与突变体中虽然差异性显著,而突变体糙米的粒宽与野生型有极显著的差异性,表明突变体影响了种子的充实。3.细胞学研究显示：突变体叶片和根的细胞形态比野生型的明显变小,尤其在穗颈节,野生型的细胞明显的比突变体变长,表明突变体对细胞伸长有明显的抑制。4.对突变体的遗传学分析,我们发现F1代的表型全部表现为野生型,表明基因突变的类型为隐性突变。在MH86×pad和58N×pad杂交的F2分离群体中,所有子代的表性表现出了孟德尔单基因分离现象,表明该突变体受一对隐性的单基因位点控制。5.我们通过图位克隆的方式分离该基因。使用BSA的方法,pad位点开始被定位到3号染色体的长臂端。然后通过470和3869个纯合隐性的单株的精细作图,pad位点定位在8.7kb的区域,在该区域存在一个开放读码框,即Os03g0157300。该区域的基因组测序分析显示,突变体Os03g0157300的第二个外显子131个核苷酸处发生了G被替换成了C的改变,导致了第44位的精氨酸变成了脯氨酸,初步将该位点定为候选基因。6.利用突变体表型为受体,对候选基因进行遗传互补分析,结果显示在所有的T1代阳性转基因植株中,所有的突变体表型包括矮小的株型(包括营养期和成熟期),短小的茎,卷曲皱缩的叶片,短小的穗型以及不完全充实的种子都得到了恢复。7.通过Knockdown的分析,在RNAi株系的株高减少,与野生型NK58相比,OsMCA1/PAD表达量降低,虽然在形态学发生了改变,但转基因株系并没有表现出突变体表型,推测突变体不正常的表型可能是由于蛋白功能改变的结果。8.对OsMCA1/PAD组织特异性表达谱研究,实时定量PCR分析以及GUS活性检测显示OsMCA1/PAD在植株的整个发育时期以及所有组织包括幼芽,幼苗,根,茎节间,茎节,幼穗,颖壳中都有表达。9.对OsMCA1/PAD蛋白的亚细胞定位研究,融合蛋白GFP-OsMCA1的荧光只能在细胞膜上检测到；另外,在高浓度(1M)的蔗糖溶液处理下,质壁分离更加确认了该蛋白主要定位在细胞质膜上。10.在细菌中进行OsMCA1/PAD蛋白原核表达研究,可以获得大量的高表达的突变蛋白,但这些蛋白以包涵体的形式存在；而野生型蛋白表达量则极低,只能用Western Blot检测到,表明突变基因产物与野生型基因产物的理化性质具有明显的不同。11.对OsMCA1/PAD的系统进化树分析,OsMCA1/PAD同源蛋白可分为两大类：一类属于单子叶植物,一类属于双子叶植物。表明OsMCA1/PAD在高等植物中具有保守的生物学功能。12.采用不同浓度的外源GA3对突变体进行研究,结果显示：无论是否进行GA抑制剂-烯效唑处理,与野生型相比,突变体对外源GA3敏感性降低,表现为GA3剂量依赖效应。而且,随着GA3浓度的增加,第二片叶鞘的长度得差异变得越来越明显。13.对野生型和突变体植株第三节节间的内源GA含量分析,在突变体中的GA1的前体GA53、GA44和GA19的含量只有野生型的1/3到1/2。而且,GA1的含量非常明显的降低,没有达到野生型的1/3。14.在突变体的茎节中,所有参与GA代谢的基因都得到了上调表达。这些结果暗示着OsMCA1/PAD对GA代谢有一定的影响。综合以上结果,我们在籼稻明恢86(MH86)的大田里发现的一个植株形态的突变体(pad),野生型相比,该突变体在整个生长和发育阶段受到抑制,表现为植株矮小、叶片卷曲和短小、二枝梗几乎消失、种子不饱满以及结实率低下等一系列严重缺陷,严重地改变了植株的正常株型。组织切片显示pad突变体生长和发育不良主要是由于细胞伸长受到抑制。通过图位克隆的方式,我们最终分离和鉴定了PAD基因。生物信息学分析显示PAD基因编码拟南芥MCA1同源的膜蛋白,即OsMCA1。突变体中的OsMCA1基因在第二个外显子处发生了由G变成C的替换,导致了第44位氨基酸精氨酸变成了脯氨酸。遗传互补实验证实了基因OsMCA.1/PAD的点突变就是造成突变体表型改变的原因。基因表达谱的结果显示OsMCA1/PAD在植物营养生长到生殖生长都有表达,实时定量PCR的结果表明在突变体节间中,参与GA代谢的相关基因都得到了上调表达,内源GA含量测定也显示处突变体第三节间中的活性GA明显比野生型降低,而且外源GA处理后突变体苗期对GA的敏感性证实了OsMCA1/PAD参与GA代谢调控。本研究结果说明OsMCA1/PAD基因的功能缺失,导致GA去活化相关基因的上调表达,并降低活性GA的含量,最终导致突变体的矮化表型。这些发现对于我们深入理解GA代谢调控的机制以及OsMCA1/PAD基因在高等植物中的功能提供了新的视野。