水稻是我国主要的粮食作物之一,是我国半数以上人口的主食。而随着人类工业活动的加剧,二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体的大量排放,全球气温正处于上升阶段,而在水稻生殖生长期遭遇高温则育性、品质等会受到显著影响。除通过优化田间管理帮助水稻应对高温胁迫外,挖掘水稻中响应高温胁迫的关键基因并用于培育耐高温水稻新品种是解决高温问题的重要手段,也是目前相关领域的研究热点。本研究基于对课题组水稻发育种子高温转录组数据库的筛选,成功获取4个响应高温的GRAS转录因子(GRAS49、GRAS52、GRAS92和GRASP1),并以其为研究对象,开展详细的基因表达与功能分析,并探析其在稻米品质形成及响应高温中的效应,具体研究结果如下:1、生物信息学分析表明筛选到的4个基因的编码蛋白都属于植物特有的GRAS转录因子家族,且分别属于两个GRAS亚家族,其中GRAS49与水稻GA信号通路中的DELLA蛋白SLR1具有较高同源性。此外,启动子motif分析结果显示4个GRAS基因启动子中均含有与植物激素调控及抗逆相关的顺式作用元件。2、时空表达特异性分析结果显示GRAS49在种子中优势表达,GRAS92在叶片中特异性表达,而GRAS52和GRASP1在各检测组织中的表达水平相近。进一步分析4个GRAS基因在高温处理种子中的表达特性,结果显示高温处理前后4个GRAS基因的表达模式并未改变,但其表达量均显著降低。3、亚细胞定位分析结果表明GRAS49、GRAS52和GRAS92在细胞核和细胞质中均有表达,而GRASP1主要在细胞质中表达,且4个GRAS转录因子都具有转录激活活性。进一步利用酵母双杂交方法分析各GRAS转录因子间的可能互作,结果显示GRAS52和GRAS49间存在较强互作,表明GRAS52和GRAS49可能通过形成异源二聚体来调控目标基因表达。4、为研究4个GRAS转录因子在水稻生长发育及响应高温中的功能,我们分别构建其过量表达和基因敲除突变体水稻。目前,我们已成功获得GRAS92、GRAS49和GRASP1的过量表达转基因水稻,目前正开展纯合系筛选。此外,利用CRISPR/Cas9方法创建了 4个候选基因的基因编辑材料,经测序成功鉴定获得多个突变体纯合系。农艺性状分析表明各gras突变体与野生型的株高、穗长等农艺性状基本一致。外观品质分析结果显示:仅gras92突变导致籽粒显著变长,而4个GRAS基因突变均会导致稻米的垩白显著增加。理化品质方面,gras49突变导致稻米表观直链淀粉含量(AAC)显著上升,胶稠度(GC)显著变硬,而grasp1和gras92突变体的GC仅稍微降低;4个GRAS基因突变均显著改变稻米淀粉的热力学特性,尤其显著降低了稻米的峰值糊化温度。5、鉴于4个GRAS基因均来源于水稻种子高温转录组数据库,因此利用获得的gras突变体纯合系分析各GRAS基因在水稻响应高温胁迫中的效应。总体而言,高温处理显著降低水稻株高,增加稻米垩白,降低AAC。进一步分析表明gras突变体稻米在高温下的垩白粒率和垩白度较野生型对照更为严重,尤其是gras49突变体,且gras49突变引起的稻米AAC下降最为显著。而高温引起稻米的热力学特征值均显著上升,但对GC的影响在各gras突变体中未呈现出一致变化。上述结果表明虽然4个GRAS基因的表达均受高温抑制,但由于各GRAS基因在氨基酸组成、表达水平及时空特异性、亚细胞定位和蛋白互作等方面存在一系列差异,导致各GRAS基因突变对水稻的农艺性状、稻米品质及响应高温胁迫的效应产生了不同影响,暗示各GRAS基因在稻米品质形成及水稻响应高温胁迫中的分工不同,但具体的分子机制有待于后续进一步研究。