细胞周期因子依赖激酶G（CDKG）参与植物生殖细胞减数分裂调控机理研究

CDKs belong to a protein family of serine/ threonine protein kinases that, with specific cyclins, regulate many biological processes including cell cycle, RNA splicing and transcription regulating. The CDKG1 and CDKG2 proteins from Arabidospsis are predicted to contain a conserved cyclin binding domain " PLTSLRE". CDKG kinases are structurally related to the Ph1-related kinases in wheat implicated in controlling homeologous chromosome pairing. CDKG1 has been shown to interact with cyclin L but no function has been ascribed to either partner. We show that CDKG1 is essential for successful male meiosis when plants are grown at high temperature . Cytological analysis of a T-DNA insertional mutant in the CDKG1 gene reveals that the fertility failure is due to defective meiosis.Bivalent formation in meiotic prophase I is much reduced leading to random chromosome distribution and formation of abnormal meiotic products. However,how CDKG1 regulate meiosis proress in pollen mother cells is still unclear. In this project, we will try to investigate the mechanism of CDKG1's function during meiosis and the gene network which involed in this progress. The main goal is to provide a theoretical foundation for transfering desirable agronomic traits into crops from wild relatives.

CDK（Cyclin Dependent Kinase）属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，其生物学功能主要体现在调控细胞生长周期，此外还在RNA转录与剪切，细胞分化等过程中发挥作用。通常不同的CDK要和相应的Cyclin结合来获得生物活性。 根据与动物CDK11蛋白质序列的同源性分析以及CDK11和CyclinL结合的保守序列PI／LTSLRE，在拟南芥中分离鉴定了CDKG1和CDKG2。前期研究结果表明，CDKG1缺失突变可以使拟南芥的花粉育性降低甚至缺失，育性的降低可能与花粉母细胞的减数分裂异常相关，但是其调控机理目前还不清楚，可能与小麦Ph1 CDKs功能相关，涉及目前未知的CDK/cyclin复合体对染色体配对、联会和重组的调控机制。本项目拟利用相关突变体，对CDKG参与植物花粉母细胞减数分裂调控机理及调控网络开展研究，为基于有性生殖与基因重组交换调控的作物遗传改良提供理论依据。

CDK（Cyclin Dependent Kinase）属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，其生物学功能主要体现在调控细胞生长周期，此外还在RNA转录与剪切，细胞分化等过程中发挥作用。通常不同的CDK要和相应的Cyclin结合来获得生物活性。 根据与动物CDK11蛋白质序列的同源性分析以及CDK11和CyclinL结合的保守序列PI／LTSLRE，在拟南芥中分离鉴定了CDKG1和CDKG2。前期研究结果表明，CDKG1缺失突变可以使拟南芥的花粉育性降低甚至缺失，育性的降低可能与花粉母细胞的减数分裂异常相关，但是其调控机理目前还不清楚。本项目拟利用相关突变体，对CDKG参与植物花粉母细胞减数分裂调控机理及调控网络开展研究，为基于有性生殖与基因重组交换调控的作物遗传改良提供理论依据。. 研究主要内容主要包括：1、明确CDKG1参与植物花粉母细胞减数分裂过程的调控机理。2、用生物信息学技术和酵母双杂交技术筛选并验证CDKG1可能的互作蛋白，并且在此基础上研究该复合体在植物减数分裂过程中的生物学功能，初步建立CDKG1参与减数分裂的调控网络。主要研究结果如下：通过花粉染色以及电镜观察cdkg1缺失突变体花药，结果显示染色后花粉着色异常，花粉发育后期出现花粉干瘪，表明其不育性状主要是由花粉发育异常引起；cdkg1突变体花药树脂切片结果表明其花粉母细胞在四分体时期发生异常，进一步DAPI染色观察发现突变体花粉母细胞在减数分裂前期出现不正常的单联体（Univalents），在减数分裂后期，单联体非平均分入花粉单孢子从而导致花粉发育不正常；免疫荧光标记结果显示，双联体轴相关蛋白ASY1在突变体中未受影响，而联会相关蛋白ZYP1蛋白的标记出现异常，在花粉母细胞发育粗线期，与野生型的连续状标记不同，突变体中只有点状标记或者无标记，表明突变体的细胞联会出现异常。进一步的免疫荧光标记显示，与DNA重组相关蛋白DMC1和RAD51的蛋白标记均正常，表明突变体的DNA重组正常。CDKG1的功能应该与花粉母细胞染色体的联会相关。通过本项目的实施，我们明确了CDKG1/Cyclins复合体不仅参与参与调控花粉发育的细胞周期，而且还通过参与调控生殖细胞的染色体联会进程来影响其发育，明确了CDKG1参与植物减数分裂的调控途径，为基于有性生殖与基因重组交换调控的作物遗传改良提供理论依据。