拟南芥微丝解聚因子第三亚家族成员生理生化功能研究

Higher-order structures of the actin cytoskeleton are essential for massive physiological processes. However, the mechanisms underlying the formation and maintenance of actin bundles in plant cell remain largely unclear. ACTIN-DEPOLYMERIZING FACTORs (ADFs) family is an important class actin binding proteins that exists in all eukaryotes, and typically contributes to actin turnover by severing and/or depolymerizing actin filaments. Recently, ADF9 shows actin-bundling and actin-stabilizing activities in vitro. We also identified another atypical ADF isovariant, ADF5, which also exhibits pH-sensitive actin bundling and stabilizing activities in vitro. Up to now, little is known about the physiological and biochemical functions of ADF5 and ADF9. Thus, our goal is to understand the mechanism of ADF5 and ADF9 bundling the actin filaments, and regulating the dynamic of the actin cytoskeleton during the specific physiological processes, which may play vital roles on this research field.

微丝束和微丝索等具有高级形态的微丝结构参与了许多重要的植物细胞过程和生理活动，而形成和维持此结构的分子机理目前仍不清楚。微丝解聚因子（ADF）是一类在真核生物中非常保守的微丝结合蛋白家族，主要通过微丝解聚和剪切作用参与细胞内微丝骨架的动态调控。最近，拟南芥ADF9被证明丧失了该家族保守的功能，却表现出成束微丝的能力，本课题组也发现同属于ADF第三亚家族的ADF5也具有相似的功能，但有关该亚家族成员的生理生化功能及生化功能发生异化的机制研究非常匮乏。本研究拟利用分子生物学、生物化学和细胞生物学等方法，系统研究拟南芥ADF第三亚家族成员的生化性质以及在植株生长发育、花粉萌发和花粉管极性生长、响应和抵御非生物和生物胁迫等重要生理活动中的作用，旨在阐明ADF5和ADF9成束微丝和调控植物细胞内微丝动态变化的分子机理，为揭示植物高级微丝结构形成机制和参与特定生理活动的机理研究提供新的理论依据和思路。

微丝束和微丝索等具有高级形态的微丝结构参与了许多重要的植物细胞和生理活动，但形成和维持此结构的分子机理目前仍不清楚。微丝解聚因子（ADF）是一类在真核生物中非常保守的微丝结合蛋白家族，主要通过微丝解聚和剪切作用参与细胞内微丝骨架的动态调控。本课题组发现同属于ADF第三亚家族的ADF5与已报道的ADF9具有束化微丝的功能，但有关该亚家族成员的生理生化功能及生化功能发生异化的机制研究非常匮乏。本研究通过生物化学和遗传进化生物学方法对拟南芥ADF基因家族成员的生化功能进行研究，证明拟南芥ADF基因家族的生化功能发生了分化，并形成两种类型，即成束功能类型(B-type)和解聚功能类型(D-type)。拟南芥第三亚家族的ADF5和ADF9从具有保守的微丝剪切和解聚功能演化成了具有微丝成束功能。除此之外，拟南芥第一亚家族ADF1、ADF2、ADF3和ADF4的剪切和解聚微丝的能力有所增强。进一步通过对该家族祖先基因的重建和生化功能的分析，我们发现一些关键的氨基酸残基对拟南芥和其他物种的ADFs生化功能有重要影响，并发现ADFs生化功能的分化在被子植物进化中是相对保守的。更重要的是，ADFs家族成员N端氨基酸序列由于内含子插入和滑动出现延长对于ADFs成束功能和解聚功能的分化是必不可少。此外，本研究发现ADF5在成熟花粉和花粉管中大量表达，adf5功能缺失突变体的花粉萌发速率和花粉管生长速率都显著降低。在花粉萌发过程中，adf5突变体花粉中的微丝数量和束化程度都明显低于野生型，并且adf5突变体花粉萌发过程中微丝的动态变化也显著变慢。adf5突变体花粉管主干区的微丝数量和束化程度明显低于野生型，并且对微丝解聚药物Lat B更加敏感，表明ADF5在花粉细胞内具有束化和稳定微丝的作用，并且其成束微丝功能对于花粉萌发和花粉管生长至关重要。本项目成果揭示了ADF基因家族的生化功能发生分化的机制及微丝骨架调控花粉萌发的分子机制；同时为研究蛋白功能演化机制及微丝骨架调控植物有性生殖的研究提供新的理论依据和思路。