草酸作为一种二元酸,存在于多种高等植物中。植物中的草酸已被证明在植物体内具有多种生理功能,其不但可平衡细胞内硝酸还原过程产生的大量OH-、保持细胞内p H的平衡,还能可逆地结合钙离子形成草酸钙来调节细胞内钙离子的浓度;此外,草酸还与细胞程序性死亡有关。已知微生物中存在由草酰辅酶A合成酶（Oxalyl-Co A Synthetase,OCS）参与的不同的草酸降解途径,但这些途径是否存在于植物中尚不十分明确。本研究通过构建转基因材料并对其进行表型观测、转录组测序、代谢物测定等方面的分析检测,探究OCS的功能及其与水稻草酸代谢的关系。主要研究结果如下:1.OCS过表达和敲除转基因植株的获得由于前期实验发现在水稻中过表达OCS会导致共抑制现象,因此本研究优化了OCS密码子并重新构建载体,最终获得了3个OCS过表达纯合株系。与此同时,构建了OCS CRISPR/Cas9敲除的水稻植株,获得了2个不同突变类型的纯合株系。对上述转基因植株的蛋白及酶活性水平进行检测,结果显示,在过表达株系中,OCS酶活性、蛋白水平得到明显提高,而敲除株系中OCS的表达在m RNA、蛋白和酶活性均已检测不到。表明已成功获得可用于后续OCS功能分析的理想的实验材料。2.OCS转基因水稻植株的表型性状观测过表达植株在表达到一定程度时出现了明显的植株矮化现象,敲除株系的生长表型则与野生型差异不明显。同时过表达植株发育变迟缓,分蘖时间和扬花时间都推迟;而敲除株系则表现出了相反的变化,出现提前发育表型。此外,两种过表达植株在株高,穗粒数,穗长,剑叶长方面相较于野生型均有所下降,敲除株系的种子育性也受到了一定的影响,出现空粒表型。3.OCS与水稻草酸代谢的关系对转基因植株的草酸含量进行测定,结果发现,过表达株系的草酸含量随OCS表达出现不同幅度的降低;在敲除株系中,草酸的含量出现了一定程度的升高。上述结果表明OCS参与了水稻草酸的代谢,其酶活性与草酸含量之间存在负相关性关系。4.OCS与水稻乙醛酸代谢的关系检测了过表达和敲除转基因材料乙醛酸含量,结果发现过表达植株中的乙醛酸含量与草酰辅酶A合成酶活性呈现正相关关系,敲除株系中的乙醛酸含量的变化似乎并不单单受到酶活性的影响。RNA-Seq的结果显示,敲除植株中的乙醛酸代谢途径中的相关基因出现下调表达。5.OCS活性改变对m RNA表达谱和代谢物含量的影响对不同转基因材料进行RNA-Seq测序,结果发现三种类型的植株之间一共存在107个基因显著上调或下调。将这些基因进行功能分类发现,信号转导相关基因一致下调表达,包括光敏色素信号通路,乙烯反应等相关基因受到影响;植物发育与形态形成相关基因出现明显变化,细胞周期,NAC转录因子等受到影响。代谢物含量的测定发现植物体内代谢紊乱,包括糖酵解,三羧酸循环等中间代谢物发生变化。在过表达株系中,与野生型相比,草酸含量降低32%左右,乙醛酸、琥珀酸等物质的含量随OCS活性增强而提高;敲除株系中,草酸含量提高39%左右,琥珀酸、半乳糖等含量有所降低。