拟南芥慢阴离子通道调控质膜内向K+通道和气孔运动的分子机理

Our previous studies revealed that both protein accumulation of S-type anion channels SLAC1 and SLAH3 and the loss of function of SLAC1 as a S-type anion channel inhibit the activity of inward K+(K+in) channels and light-induced stomatal opening in Arabidopsis. However the underlying molecular mechanisms are still largely unknown. The applicant hypothesizes that there is a novel regulating network or complex for the regulation of K+in channels and stomatal movement in Arabidopsis, which is composed of SLAC1, SLAH3, K+in and unknown molecules, and the formation of K+in channels as diverse tetramers is also involved in the regulation of K+in by S-type anion channels. This project will elucidate the regulating network/complex by identifying the novel components of this regulating network/complex and by analyzing the functions of the formation of K+in channels as diverse tetramers. This research will facilitate our understanding of the molecular mechanisms of how drought stress and light regulate stomatal movement coordinately.

申请人及其课题组已有的研究发现，拟南芥气孔保卫细胞质膜慢阴离子通道SLAC1和SLAH3的大量累积与SLAC1的功能缺失均有效抑制质膜内向K+(K+in)通道的活性，并因此抑制光诱导的气孔开放运动。但其具体分子机制还不清楚。申请人推测，SLAC1、SLAH3、K+in通道和未知的蛋白组份共同组成一个K+in通道活性调控网络或蛋白复合体，SLAC1和SLAH3通过该网络/蛋白复合体发挥对K+in通道和气孔运动的调控作用，且K+in通道的异源四聚体组成形式可以放大慢阴离子通道的调控作用。本项目将通过筛选和鉴定该调控网络中的未知蛋白组份，研究其生物学功能，以及分析K+in通道异源四聚体组成形式在K+in调控中的作用，系统和深入地解析慢阴离子通道SLAC1和SLAH3调控K+in和气孔运动的分子机理，加深我们对干旱胁迫/ABA和光信号等不同信号共同调控气孔运动的分子机制的理解。

申请人及其课题组已有的研究发现，拟南芥气孔保卫细胞质膜慢阴离子通道SLAC1和SLAH3的大量累积与SLAC1的功能缺失均有效抑制质膜内向K+通道的活性，并因此抑制光诱导的气孔开放运动。进一步需要回答的科学问题主要有三个。第一，阴离子通道SLAC1和K+通道之间是否在其他组织和器官内以类似其在气孔保卫细胞中的互作方式实现功能关联，并在不同的组织与器官中发挥不同的生物学作用。第二，Shaker家族成员组成的质膜K+通道是同源或异源四聚体。该四聚体的亚基组成形式是否可以级联放大SLAC1对K+通道的抑制作用？第三，SLAC1的大量累积和缺失分别抑制质膜内向K+通道的分子机理有何异同？针对第一个科学问题，我们的研究发现，拟南芥阴离子通道SLAC1的四个同源蛋白SLAH1、SLAH2、SLAH3和SLAH4 均可以与Shaker家族KAT2和AKT2蛋白直接互作，且以剂量依赖性的方式抑制KAT2和AKT2组成的质膜内向K+通道的活性。已知这四个阴离子通道SLAH1-SLAH4和K+通道KAT2与AKT2的编码基因均在拟南芥根组织中表达，并参与根组织内阴离子（包括Cl-和NO3-等）和K+的体内运输。这两类离子通道在根细胞中的蛋白互作和功能关联参与了根组织中阴离子和钾离子营养的协调运输。针对第二个科学问题，我们发现，有一个或多个KAT1亚基的K+通道四聚体蛋白均可被SLAC1抑制，且抑制幅度一致。而不含KAT1亚基的K+通道四聚体，则完全不能被SLAC1所抑制。该研究结果说明K+通道的四聚体组成形式确实放大了SLAC1对内向K+通道的抑制作用。针对第三个科学问题，我们采用加入A23187的方式，帮助Ca2+跨过细胞质膜进入非洲爪蟾卵母细胞，以提高胞内Ca2+浓度，并在此条件下检测K+电流活性。实验结果显示，细胞内Ca2+浓度的升高明显提升了SLAC1和SLAH3对K+通道的抑制作用。总之，本项目完成了预期研究任务，且适当拓展了研究内容，取得了进一步的研究结果。