摘要
水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的粮食作物之一，同时也是单子叶植物基因组和遗传学研究的模式生物。株高作为农作物抗倒伏和高产育种的重要农艺性状，也是影响水稻产量的重要影响因素之一。因此，深入研究水稻半矮秆基因的表达调控及其作用机制，可以为完善水稻株高发育的分子机理和育种改良提供理论依据。在本研究中，我们报道了一个新的水稻半矮秆突变体osubr7以及相关基因OsUBR7，该基因编码一个单泛素化修饰组蛋白H2B（H2Bub1）的E3泛素连接酶。H2Bub1是染色质中组蛋白的一种常见且重要的表观遗传修饰，与真核生物的基因转录活性的调节密切相关。然而，H2Bub1在植物株高发育中的调节作用仍然很少被研究。本研究获得的主要结果如下： （1）CRISPR/Cas9基因敲除OsUBR7（Os06g0529800）的水稻突变体会产生多种表型变化，其中最明显的半矮秆表型是由茎节细胞数量减少导致的。 （2）osubr7 突变体的半矮秆表型是由单基因隐性突变控制的，通过互补和过表达实验验证了OsUBR7对株高调控的作用。 （3）在较高株高的粳稻品种台中65（T65）敲除OsUBR7可改良株型且不降低产量，表明了选择合适的水稻品种以及对 OsUBR7 采用合适的基因编辑策略更能发挥OsUBR7的应用价值。 （4）OsUBR7为组成型表达，在水稻各个器官均有较高表达且在根尖和幼穗的相对表达量较高。 （ 5 ） OsUBR7 编码一个定位于细胞核的 UBR7 （ Ubiquitin Protein Ligase E3 Component N-Recognin 7）蛋白，该蛋白包含一个UBR盒结构域和一个识别组蛋白的植物同源结构域PHD（Plant Homeodomain）。 （6）UBR7蛋白具有与RING（Really Interesting New Gene）相似的锌指结构，广泛存在于真核生物中，且结构高度保守。 （7）OsUBR7能与水稻的所有4种核心组蛋白（OsH3、OsH4、OsH2A及OsH2B）互作，且能在体外实验中单泛素化H2B。 （8）发现OsUBR7的一个特异E2泛素结合酶为OsUBC18，它能协助OsUBR7单泛素化水稻H2B.1变体的第148位赖氨酸（H2BK148ub）。 （9）敲除OsUBR7 会导致突变体的整体 H2Bub1水平显著降低。体外酶活实验和体内H2Bub1修饰水平检测都表明OsUBR7在水稻体内作为H2BK148ub连接酶发挥生化功能。 （10）通过染色质免疫沉淀结合高通量测序及转录组测序分析，发现OsUBR7所修饰的靶基因中包含了一些多效性表型和细胞周期相关基因，这些靶基因区的H2Bub1水平下调导致这些基因的转录水平下降。 （11）相比野生型（WT），大部分的细胞周期相关基因在osubr7突变体中出现了不同程度的表达下调。 （12）细胞学水平的检测发现 osubr7 突变体中的细胞周期进程相比 WT 受到明显的抑制。 本研究结果表明OsUBR7通过介导H2Bub1的修饰，调节细胞周期和水稻株高发育。OsUBR7所介导的这一新的植物H2Bub1修饰机制，也扩展了UBR7家族在真核生物中的已知功能。此外，OsUBR7及其在其它作物中的直系同源基因可以作为未开发的表观遗传资源，用来改善作物的株型和抗倒伏性状。
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