油菜素甾醇与其它信号途径协调控制植物器官发育的细胞和分子机制研究

Brassinosteroids (BRs) is a class of plant-specific steroid hormones. BR signaling pathway plays a key role in controlling broad aspects of plant developmental process. Two major negative components BKI1 and BIN2 inhibit BR signaling output at different steps. Furthermore, over-expression BKI1 and a gain-of-function mutation of BIN2 both led to extremely dwarf phenotype, but they also have other unique phenotypes, including the downward pointing pedicel in the BKI1 over-expression line and the reduced root hair number in the triple knock out mutant of BIN2 and its two homologues. Abscisic acid inhibits BR primary signaling and regulate root hair initiation. However, the molecular mechanisms, by which BRs and other signals coordinately regulate these specific organogenesis processes, are unknown. Our preliminary data showed that BKI1 and BIN2 can directly interact with major components involved in these developmental pathways. In addition, we identified a number of novel protein phosphatases to interact with BIN2. In this study, we will use genetic, cell biology, developmental biology, biochemical, proteomic and bioinformatic approaches to disclosure the mechanisms of BKI1 regulating pedicel, and the mechanisms of BIN2 regulating root hair development by interacting with ABA signaling. Finally, we plan to uncover the mechanisms of how BR signaling controls organogenesis through BKI1 and BIN2 and interacting with ABA and other signaling pathways.

油菜素甾醇（BRs）是植物体内一类重要甾醇类激素。BR信号转导途径精细调控植物生长发育的许多过程。BR信号途径的两个关键负调控蛋白BKI1和BIN2在不同阶段控制BR的信号输出，并且BKI1和BIN2还控制独特的发育表型：BKI1过表达系果柄向下；BIN2缺失根毛减少。脱落酸抑制BR的初级信号输出，并调控根毛的起始，但是BR与脱落酸等其它信号途径控制这些器官发育的机制未知。前期研究发现BKI1及BIN2可以与控制果柄角度和根毛发育中的关键组分直接互作，并发现了与BIN2互作的新的磷酸酶。本研究将通过遗传学、发育生物学、生物化学和蛋白质组学等方法，阐明BKI1调控果柄向性的机制；揭示BIN2及其与脱落酸共同调控根毛发育的机制；全面揭示BR信号通过BKI1和BIN2与脱落酸等其它信号途径控制植物器官发生的机制。

油菜素甾醇（brassinosteroids,BRs）几乎调控了植物生长发育的所有过程。BR主要通过其信号转导通路调控植物的生长发育。近年来研究发现BRs和其他信号共同调控植物的生长发育。本项目集中在BR信号调控的植物发育机理、BR信号转导通路的组分研究和BR通路与其他通路互作调控植物发育的机制三个方面研究BR信号与其他信号协调精细调控器官发生的细胞和分子机制。研究结果主要有以下5个方面。（1）在研究BR信号转导通路及其与其他信号互作的过程中，发现在拟南芥中BR抑制根毛的发生，但其细胞和分子机理未知。我们发现BR信号通过GSK3蛋白与根毛转录复合体互作和磷酸化调控了根毛的起始。（2）在研究BR信号转导通路的过程中发现BKI1过量表达导致果柄向下，但机制未知。我们研究了BR信号通路中的负调控蛋白BKI1调控果柄向性的机制，发现BKI1对果柄向性的调控不依赖于BR信号通路的其他组分，并且发现了一个新的激酶BIP1与BKI1互作，BKI1可以抑制BIP1的激酶活性，通过遗传学实验证明了BIP1信号通路调控了BKI1的果柄向性。（3）在以往报道中，BR信号转导通路下游转录因子BES1的过量表达没有表型。我们发现BR信号转导通路中的转录因子BES1的一种转录本BES1-L的功能，BES1-L比BES1-S有更明显的表型，可帮助BES1-S和BZR1定位到细胞核中，进化分析发现BES1-L可能是一种新进化出来的对拟南芥扩张更重要的一种形式。通过CRISPR技术敲除了拟南芥体内的BKI1，发现BKI1的缺失导致BR信号放大表型，表明BKI1在体内对BRI1的抑制是必须的。（4）BR信号通路的负调控蛋白GSK3脱丝/苏氨酸磷酸化的机制未知。通过反向遗传学我们发现和BIN2互作并且将BIN2脱磷酸化的丝/苏氨酸磷酸酶，研究了磷酸酶脱磷酸化BIN2的分子机制。（5）在水稻中，BR调控叶片直立的细胞和分子机制未知。我们阐明了水稻中BR通过两个方面调控了叶片直立性。一方面通过BES1对CYC U4;1的转录调节，一方面通过GSK3对CYC U4;1的磷酸化。此工作在同期杂志上给予了高度评价，认为“CYCU4;1功能的研究，不仅部分揭示了水稻叶倾角处复杂的分子调控机理，重要的是为通过遗传修饰提高土地的利用效率提供了一个可能的标靶”。以上工作为塑造理想株型和提高作物耐旱性等提供了理论基础。