拟南芥CLS介导的高温响应和地上器官发育的分子机制研究

As a critical environmental factor, the temperature influences various aspects of plant growth and development. However, the molecular mechanisms underlying how temperature affects plant morphogenesis are largely unknown. By genetic screening of Arabidopsis mutants defective in aerial organ development, we identified a mutant, named clustered siliques (cls), that displayed aberrant leaves and severely compressed internodes of inflorescence stem in a thermo-sensitive manner. We isolated the CLS gene by map-based cloning and found that CLS encodes a putative kinase-like protein. CLS gene family is plant-specific and contains 13 members in Arabidopsis genome. Using genetic, biochemical, cytological and molecular approaches, we will dissect the molecular mechanisms of how thermal signal affects CLS and how CLS regulates organ growth and development at transcriptional or post-transcriptional levels, and we will further identify the CLS-interacting proteins and new molecules in the CLS pathway. These works will further our understanding of the molecular basis of how plant integrates thermal signal into organ morphogenesis.

作为重要的环境因子，温度影响植物器官生长、发育的各个方面，但目前人们对植物感受温度及其对植物发育调控的分子机制仍了解甚少。我们从拟南芥突变体库筛选到一个莲座叶异常、花茎显著缩短、角果簇生的突变体clustered siliques (cls)，其突变表型依赖于高温环境。通过图位克隆的方法克隆了CLS基因，它编码一个推测的类激酶蛋白。CLS基因家族是植物所特有的，在拟南芥中有13个成员。目前尚未见它们在植物温度响应和器官发育调控方面的功能报道。我们将利用遗传学、生物化学、细胞生物学和分子生物学等方法，研究CLS在温度调控植物地上器官发育中作用的生化和分子机制，鉴定CLS互作蛋白和其控制途径的重要信号分子，以期建立一条CLS介导的植物高温响应和器官发育调控的信号途径。

植物的生长与免疫反应都是耗能的过程，二者间存在动态的平衡。温度作为重要的环境因子，同时参与植物的生长发育和免疫反应的调控，环境温度升高能够促进植物生长发育，并伴随植物自身的基础免疫反应抑制。然而，目前人们对温度调控植物生长发育与免疫反应间动态平衡的分子机制仍知之甚少。拟南芥CLS/ZED1 (HOPZ-ETI-DEFICIENT 1) 显性负突变 (cls/zed1-D) 造成植物高温下生长发育受阻和免疫反应自激活。ZED1与部分ZRKs (ZED1-Related Kinases) 家族成员受高温诱导表达，在功能上存在冗余性。蛋白定位分析表明，ZED1定位于细胞核和细胞质中，而ZED1-D则只定位于细胞质中。进一步研究发现，ZED1-D与细胞质中的ZAR1 (HOPZ-ACTIVATED RESISTANCE 1) 相互作用，引起了自激活免疫反应。更深入研究揭示植物特有的TCP转录因子参与ZRK介导了温度调控的免疫反应。TCP转录因子受高温环境诱导表达，在细胞核内与ZRKs相互作用协同抑制免疫反应重要因子SNC1的转录；TCP功能缺失导致了免疫反应的自主激活，而过量表达ZED1和TCP15均可抑制SNC1功能获得突变体中的免疫自激活表型。这些结果表明在无病原菌入侵的情况下，ZED1及其家族成员ZRKs与转录因子TCPs感知环境温度的变化，在细胞核内形成功能性的复合体，通过精细调控重要免疫因子SNC1的表达，优化能量的分配方向，介导了植物的生长发育和基础免疫的动态平衡过程。而且，我们进一步通过筛选zed1-D抑制子的方法，揭示了如有病原菌入侵，细胞质类受体激酶SZE1/2 (SUPPRESSOR OF ZED1-D 1/2) 与ZED1、ZAR1形成膜定位的复合体，介导了病原菌效应蛋白HopZ1a特异识别及其引发的植物免疫反应。zed1-D是目前报道的唯一一个高温敏感的免疫自激活突变体。通过该突变体的深入研究，揭示了一条温度调控植物生长发育与免疫反应间动态平衡的全新机制，将加深我们对植物如何调节生长发育以适应不断变化的外界环境了解。