类受体蛋白激酶在苔藓植物适应极地环境中的作用

Receptor-like kinases (RLKs) that play many critical roles in plant development and physiology, including developmental patterning, hormone signaling, disease resistance and stress responses, were the focus of scientist' attention in biology. In this study, we will screen out the cold-related RLKs by genome-wide manner based on the Antarctic moss transcriptome sequencing database and profiling analysis. After cloning the full-length cDNA sequence, we will analysis the gene characteristics and the putative function by informatics software. We will study the relative expression levels of RLKs mRNA under cold, salt and drought stress by RT-PCR and Real-Time PCR techniques. We will analyze the sub-cellular localization by employing the transient expression of RLKs-GFP fusion protein in Antarctic moss protoplasts. By using the model plant system of Arabidopsis thaliana combined with molecular and reverse genetics approaches, we will investigate the stress-related phenotype of transgenic Arabidopsis overexpressing the RKLs protein and the corresponding molecular mechanism as well as the expression pattern in different tissues and development stages. Taken together, these results will contribute to clarify the RLKs function of Antarctic moss in the processes of acclimatizing and adapting the rigorous climate in Antarctic continent. Moreover, these results will provide the theoretical foundation in accelerating practical exploitation of Antarctic moss gene resources and improvement of stress tolerance in agricultural crops.

类受体蛋白激酶在植物生长发育、激素信号转导和胁迫响应中发挥着至关重要的作用，是近年来生物学领域研究的热点内容。本研究以南极苔藓转录组为基础，从基因组水平上筛选与低温胁迫相关的类受体蛋白激酶，克隆这些基因的全长序列，分析其结构和功能；利用半定量PCR和实时定量PCR技术研究这些类受体蛋白激酶基因在低温、高盐和干旱胁迫下的表达模式；利用原核表达体系异源表达类受体蛋白激酶，研究其酶学性质；通过类受体蛋白激酶-GFP融合蛋白在南极苔藓原生质体中的瞬时表达，分析这些基因的亚细胞定位；通过拟南芥这一模式植物并结合分子生物学和反向遗传学等研究手段，研究转基因拟南芥植株在胁迫下的表型和相关信号通路关键基因时空表达特征，以及组织和发育阶段的时空表达模式，阐明这些类受体蛋白激酶基因的功能；揭示这些类受体蛋白激酶在南极苔藓适应极端环境中的作用，为促进南极苔藓基因资源的实质开发和农林作物改良等方面提供理论基础。

苔藓是南极大陆主要的植物类群，其逆境适应机理仍不清楚。类受体蛋白激酶（Receptor-Like Kinases, RLKs）作为最初感知外界环境变化和传导信号的受体，可能在南极苔藓适应极地严酷环境过程中发挥着关键性作用。根据胁迫条件下基因表达情况和转基因拟南芥的表型特征，选择了4个RLKs进行了深入研究。.1、PnRLK-1为全长426氨基酸的胞内RLK类受体蛋白激酶，主要表达于细胞质内，少部分在细胞膜上；过表达PnRLK-1的拟南芥对盐胁迫和氧化胁迫的抗性增加，对脱落酸敏感性升高；盐胁迫下，过表达系植株抗氧化酶的转录及活性均显著升高，且其脱落酸途径关键基因的转录明显增加。因此，PnRLK-1通过增强植株对脱落酸的敏感性和提高抗氧化酶活性，来提高植株对盐胁迫的抗性。.2、PnLecRLK1为全长694氨基酸的凝集素样类受体蛋白激酶，主要在细胞膜上表达；过表达PnLecRLK1的拟南芥对低温胁迫的抗性增强，上调了CBF途径基因的表达；过表达PnLecRLK1的拟南芥对盐胁迫的抗性降低、对脱落酸的敏感性增强，其脱落酸途径的关键基因转录显著升高；因此，PnLecRLK1可能分别通过CBF和脱落酸两个信号途径来调节植株对低温和盐胁迫的抗性。.3、PnLRR-RLK-1为全长1154氨基酸的富含亮氨酸类受体蛋白激酶，主要在细胞膜上表达；过表达PnLRR-RLK-1增强了拟南芥对盐胁迫的抗性，降低了对脱落酸敏感性。机制研究表明，该基因通过抑制脱落酸途径相关基因的表达，降低植株对脱落酸敏感性，从而提高了植物对盐胁迫的抗性。.4、PnLRR-RLK-2为全长620氨基酸的富含亮氨酸类受体蛋白激酶，主要在细胞膜上表达。对PnLRR-RLK-2蛋白进行了原核表达和蛋白纯化，激酶活性检测发现该蛋白具有较强的底物磷酸化活性。过表达该基因的拟南芥对盐胁迫和H2O2胁迫抗性增加，对脱落酸的敏感性降低；同时，过表达该基因的小立碗藓对盐胁迫抗性增加和对脱落酸的敏感性降低，与转基因拟南芥表型类似。机制研究表明，该基因主要通过增强抗氧化酶活性和增强脱落酸信号途径和HKT1离子通道，来提高植物对盐胁迫的抗性。.本课题研究了不同类型的类受体蛋白激酶的功能，对于揭示南极苔藓适应极端环境的分子机制、促进南极苔藓基因资源的开发利用和农林作物改良等具一定的科学意义。