拟南芥细胞周期蛋白依赖激酶CDKA;1参与气孔发育调控机制的研究

Stomata, which are vital shoot epidermal cell complexes of all land plants for gas exchange between plants and atmosphere, develop from protodermal cells via three formats of precursor cells after three kinds of asymmetric division and a symmetric division. The only one Arabidopsis A-type cyclin-dependent kinase CDKA;1 is a key regulator for cell division and differentiation. CDKA;1 might be involved in multiple stomatal development phases according to the findings of distinct stomatal defects from cdka;1 mutant seedlings, which is obtained by a pollen rescue technique, and from transgenic seedlings harboring dominant negative form CDKA;1.N146 in stomatal lineage cells. Our preliminary data indicated that CDKA;1 functions in cell cycle regulation at different development stages via forming a protein complex with different cell cycle regulatory proteins. Using stomatal development as the study system, we intend to use a combination of genetic, biochemical, and cell biological techniques to identify the putative CDKA;1 partner cell cycle proteins in different developmental stages, and their regulatory relationships with known stomatal transcriptional factors. Our results will lead to a hypothesis about the activity of CDKA;1 in cell division and differentiation in stomatal development and its regulatory network.

气孔是分布在所有陆地植物地上部表皮中调控植物与外界气体交换的重要细胞结构，是由原表皮细胞经过一系列不对称分裂和一次对称分裂，经历三种前体细胞形式所形成。已知拟南芥唯一的A型细胞周期蛋白依赖激酶CDKA;1是调控细胞分裂和分化的重要因子。我们利用花粉互补技术所获得的cdka;1突变纯合植株以及气孔世系细胞特异的CDKA;1.N146显性失活转基因植株出现了不同气孔发育异常表型，说明CDKA;1可能参与气孔多个发育阶段的调控。数据表明CDKA;1可与不同的细胞周期调控蛋白形成复合体参与不同发育阶段的细胞周期调控。我们拟利用遗传学、生物化学和细胞生物学手段，针对CDKA;1在气孔各个发育阶段的作用方式特点，寻找与其互作的细胞周期蛋白，并探讨它们与相应时期的已知气孔发育调控转录因子之间的上下游调控关系，从而勾勒出CDKA;1参与气孔发育中气孔世系细胞的分裂和分化的调控网络途径。

气孔是分布在所有陆地植物地上部表皮中调控植物与外界气体交换的重要细胞结构。气孔的发育是叶片原表皮细胞经过多次不对称分裂和对称分裂所产生，是研究植物细胞分化和分裂的理想系统。CDKA;1是模式植物拟南芥中唯一的A类细胞周期蛋白激酶。在本项目中，我们通过花粉特异基因表达互补的技术获得了cdka;1突变纯合体。通过对叶片表皮中气孔发生和发育表型的分析发现，CDKA;1基因突变可导致表皮中气孔密度和指数明显减少，表明CDKA;1可能参与表皮细胞进入气孔世系的不对称分裂发生。研究结果验证了CDKA;1能够对决定气孔发生的关键bHLH转录因子SPEECHLESS蛋白186位丝氨酸进行磷酸化修饰，促进表皮细胞经过不对称分裂进入气孔世系。另外，研究也发现CDKA;1基因突变可导致产生气孔发育后期保卫细胞母细胞对称分裂的异常，产生单一个保卫细胞的异常气孔结构。研究验证了气孔发育后期MYB转录因子FOUR LIPS 和MYB88可通过与CDKA;1基因启动子上的顺式转录调控元件的直接结合调控CDKA;1的转录水平，保障气孔保卫细胞母细胞发生一次对称分裂，从而产生一对保卫细胞。进一步的研究也验证了在气孔发育后期过量表达CDKA;1和相关细胞周期蛋白基因CYCD3或CYCA2可导致气孔保卫细胞的冗余分裂。本项目的研究结果表明，CDKA;1不仅参与了决定气孔发生的细胞不对称分裂，还参与气孔发育终期产生一对保卫细胞的对称分裂，为进一步揭示了植物器官发生的细胞分裂和分化的调控机制提供了新的证据。