TMS1基因响应高温胁迫和ER Stress的分子机制

High temperature is one of the important abotic stress factors. As molecular chaperones, heat shock proteins (Hsps) facilitate protein folding, response to heat stress and cellular unfolded protein stress. tms1, a thermosentitive male sterile mutant had been isolated in our privious work. At higher temperature, the pollen tube growth of tms1 had been retarded resulting in a significant reduction in fertility. TMS1 encodes a ER lumen located DnaJ (Hsp40) protein with disulfide isomerases activity. Further study implied that the expression of TMS1 was inducied by heat shock and ER stress-UPR. In this project, we want to explore the detailed molecular mechanism for the response of TMS1 to heat stress and UPR by the technology of cell biology, genetics, biochemistry and molecular biology. At first, we will check if the expression TM1 gene is regulated by HSF or bZIP transcriptional factor . Then, TMS1 related chaperone complex will be identified. At last, the situation of TMS1 in the signal pathway of heat stress or ER stress will be achieved. By this project, we will try to discuss the regulational mechanism of the heat shock protein on the pollen tube growth in order to understand more functions of heat shock protein and provide the new academic data for isolating thermosentitive male sterile line in agricultural production.

高温是影响植物生长发育的重要非生物胁迫因子之一。热休克蛋白Hsps作为分子伴侣，帮助蛋白质进行正确的折叠，响应高温胁迫以及细胞内的非折叠蛋白胁迫。我们在前期工作中筛选到一个温敏不育的雄配子体型突变体tms1，在高温条件下，花粉管的萌发和生长受到抑制，严重影响结实。突变基因TMS1编码定位在内质网腔中的DnaJ（Hsp40）蛋白,该蛋白具有二硫异构酶的活性。进一步的研究显示TMS1基因的表达不但受热胁迫的诱导，而且受ER Stress-UPR诱导。我们拟通过本项目利用细胞、遗传、生化和分子生物学等技术深入研究TMS1响应热胁迫和UPR的具体分子机制，分析该基因是否受HSF和bZIP转录因子的调控，解析TMS1参与的分子伴侣复合体，确定其在热胁迫和ER stress信号通路中的位置，探讨热激蛋白对花粉管生长发育的调控机制，增加对热激蛋白功能的了解，并为农业生产上雄性温敏不育系的筛选提供理论资料

热休克蛋白Hsps作为分子伴侣，帮助蛋白质进行正确的折叠，响应高温胁迫以及细胞内的非折叠蛋白胁迫。我们在前期工作中筛选到一个温敏不育的雄配子体型突变体tms1，在高温条件下，花粉管的萌发和生长受到抑制，严重影响结实。突变基因TMS1编码定位在内质网腔中的DnaJ（Hsp40）蛋白,该蛋白具有二硫异构酶的活性。本项目中我们以TMS1 (ERdj3A) 为主要研究对象，阐述其在生殖发育，响应热胁迫和UPR的具体作用分子机制。TMS1的研究结果显示，该基因的表达受热胁迫和ER Stress-UPR诱导，位于转录因子HSF、bZIP28和bZIP60的下游。荧光素酶互补实验、GST pull-down和ATPase酶活实验结果表明, TMS1全长蛋白及其DnaJ结构域都能够与BiP1和BiP3蛋白互作, 激活BiP的ATPase酶活性。TMS1可能作为BiPs的共分子伴侣参与未折叠蛋白的再折叠和降解, 在花粉管及其它组织耐热性中起重要的作用。在研究过程中我们扩大了研究范围，对TMS1同源蛋白ERdj3B也展开了研究: ERdj3B也受到热激和ER Stress-UPR诱导, ERdj3B与SDF2和BiP互作，形成保守的ERdj3B-SDF2-BiP分子伴侣复合体。ERdj3B基因突变影响胚珠内珠被的发育，从而影响植物的育性，并随着温度的升高，育性逐渐降低。特别值得注意的是我们发现tms1和erdj3b突变体的温敏不育表型有生态背景的差异，因此我们构建了mapping定位群体，搜索它们的natural modifiers，目前已经筛选到ERECTA基因是ERdj3B的modifier，初步的结果显示ERdj3B可能通过影响ERECTA家族蛋白的折叠和分选，调控胚珠珠被的发育和响应热胁迫。总之，本项目的研究工作确定了TMS1 (ERdj3A)和ERdj3B参与形成的分子伴侣复合体，揭示了它们对植物生殖发育的调控机制，以及响应热胁迫和ER stress的分子机制，增加了对热激蛋白功能的了解，并为农业生产上温敏不育系的筛选提供理论资料。