磷脂酰肌醇代谢途径调控棉花纤维顶端生长的分子机制研究

Phosphatidylinositol (PI) is one of the most important components of cell membrane and its metabolic intermediates play an important role in controlling plant cell morphogenesis, metabolism and signal transduction. However, the functions of PI and phosphoinositides (PIs) mediating cell polarity remained largely unaddressed. We applied high-throughput lipid profiling technology based on electrospray ionization tandem mass spectrometry to identify and to quantify glycerophospholipids in wild-type upland cotton fibers, ovules and ovules of fuzzless-lintless mutant. Our data showed that PI34:3 and PIP34:3 containing linolenic acid moiety (C18:3) were significantly enriched in the fiber cells. In vitro applications of unsaturated PI, PIP or C18:3 promoted fiber cell elongation. In this study, we plan to identify PIs transporters or PIs binding transcription factors, and identify PIs downstream genes by transcirptome analyses using gene-silenced cotton plants or cotton ovules treated by various lipid compounds or inhibitors to illustrate molecular mechanism by how PI metabolic pathway is involved in the establishment and maintenance of cell polarity during fiber tip growth.

磷脂酰肌醇（PI）代谢中间物在植物细胞形态建成、代谢、信号转导等过程中起重要的调节作用。但PI及多磷脂酰肌醇脂（PIs）调控植物细胞极性生长的分子机理仍不清楚。我们利用超高效液相色谱质谱联用技术建立了棉花甘油磷脂分子检测平台，发现快速伸长的棉花纤维中PI和 PI单磷酸（PIP）含量显著高于胚珠及突变体, 最主要的PI34:3和PIP34:3由棕榈酸C16:0和亚麻酸C18:3组成。研究表明C18:3及不饱和PIs的产生是早期纤维发育所必需的。本研究将鉴定结合PIs的蛋白，研究脂质分子通过这些蛋白将PI信号开启，并在细胞壁、质膜、胞质及细胞核之间进行传递的分子机制。在野生型陆地棉胚珠的体外培养液中，施加C18:3、不饱和 PI、PIs及其合成抑制剂，利用转录组测序技术分析脂质和抑制剂处理前后基因表达谱的改变，鉴定受PI调控的下游基因，阐明PI代谢途径调节纤维细胞极性建立和维持的分子机制。

高等植物胞间连丝（plasmodesmata，PD）作为细胞质膜的延伸，横跨细胞壁并连接相邻植物细胞形成圆柱状膜性通道（约20-50 nm直径）。与脂筏膜组分类似，PD膜富含鞘脂类和固醇类分子。目前，关于鞘脂类分子调控PD功能的机制研究仍未见报道。鞘脂主要由长链氨基醇骨架、长链脂肪酸及头基构成，在参与调控植物的生长发育以及响应外界刺激中发挥着重要作用。我们利用脂质组学技术发现在拟南芥中，相较于细胞膜组分，PD组分中以饱和鞘胺醇（ t18:0 ）为骨架的鞘脂比例显著增加。鞘胺醇去饱和酶（SLD8）通过催化氧化反应在在鞘胺醇骨架8号和9号碳之间引入双键，生成不饱和鞘胺醇（ t18:1 ）。我们利用拟南芥SLD8缺失突变体sld1 sld2（累积t18:0）探究PD功能。相较于野生型，突变体sld1 sld2莲座叶细胞PD周围胼胝质显著聚集，导致突变体PD变窄。RNA-seq数据分析揭示该突变体中PDLP5表达量显著增加。体外MST实验结果表明PDLP5蛋白特异结合t18:0。我们选取半活体营养型病原菌丁香假单胞菌（细菌型）和大丽轮枝菌（真菌型）侵染拟南芥植株。相较于野生型植株，突变体sld1 sld2对两种病原菌表现出显著增强植物抗性。该研究揭示鞘脂分子调控植物胞间连丝蛋白PDLP5的分子机制。