膜联蛋白在植物向重力性信号转导中的作用机理

Gravity is one of the most important environmental factors on earth, which play a key role in regulating plant growth and development, but the molecular mechanism of gravity sensing and signal transduction in plant still remains one of the most exciting mysteries. The progresses of studies on gravity sensing and signal transduction have been recently achieved, including the physiological outputs of a fast cytosolic alkalinization and a fast change in cytosolic calcium levels in the statocytes in response to gravistimulation. Annexins, which are considered as calcium sensors or effectors in cytosolic calcium -driven processes, could play an important role in gravity sensing and signal transduction. In the present proposal, we are planning to study the response of annexin to the cytosolic pH and cytosolic calcium in the statocytes of roots of Arabidopsis wild-type and related mutants and to identify the function of annexins as complex components in plant gravity signal transduction networks. The goal is to understand the molecular mechanism of the role of annexins in gravity signal transduction and to provide new knowledge to further uncover the mechanism of gravitropic response.

重力是地球上重要的环境因子之一，在植物的生长发育中起到了关键的调控作用，但是，植物对重力信号感知与转导的分子机制仍然是个谜。近年来，关于植物感知重力早期信号途径的研究取得了很多新进展，其中研究最为深入的是胞质pH和胞质钙离子信号途径。膜联蛋白作为细胞质钙离子的感应器，可能在响应重力早期信号中起到关键的作用，但是，其分子机制仍不清楚。本申请拟通过分析拟南芥根平衡细胞中胞质钙离子和胞质pH对膜联蛋白的表达与分布的影响，尤其是精细的亚细胞定位的调控，确定膜联蛋白在参与重力信号转导中时空定位的生理基础与分子基础，丰富对重力信号转导通路与功能的认识；寻找膜联蛋白及其结合蛋白质参与重力信号转导通路的新机制与新功能，揭示胞质pH信号与胞质钙离子信号在重力信号转导中的内在关系，加深对植物向重力性反应机制本质的认识。

向重性反应是植物适应地球重力环境和调控生长发育不可缺少的机制，可分解为感受、转导、传导和生长反应四个步骤。重力信号转导过程是重力势能转换为生物化学信号的过程，但是，这个转导步骤是如何发生的至今仍是个谜。大量的研究证明植物根的重力信号转导过程涉及到淀粉体、微丝骨架、内质网和质膜等多种细胞器的共同作用。本研究首先利用转基因技术对拟南芥中存在8种膜联蛋白（AtAnn1-AtAnn8）全部分别进行了绿色荧光蛋白(GFP)标记，发现只有AtAnn2和AtAnn4定位在根冠细胞中，其中AtAnn2主要定位于侧根冠，而AtAnn4定位于根冠柱细胞中，并参与淀粉体、Ca2+和微丝骨架介导的重力信号的感知过程。胞质pH调控蛋白AGR1和ARL2的突变体arg1和arL2的根冠柱细胞中AtAnn4的表达显著下调，同时，根的向重性反应也明显减弱。膜联蛋白可能作为淀粉体、内质网和微丝骨架的“信息整合器”，起到在时间和空间上实现重力信号转导信号的整合和精确调控的功能。进一步研究发现双酸基序是膜联蛋白内质网输出的主要信号。已有研究表明双酸基序在植物响应环境胁迫中通过非常规蛋白质分泌途径起到重要的作用，本研究发现双酸基序缺失调控AtAnn4在柱细胞的内质网中参与淀粉体沉淀介导的根的重力信号转导。通过对拟南芥野生型和淀粉缺失突变体pgm-1根响应重力的蛋白质组分析发现淀粉体定位的蛋白质在重力刺激30分钟内大量上调表达，证明淀粉体自身可能就是重力变化的感知器。本研究的实验结果为阐明膜联蛋白在植物根的向重性中的作用机理提供新的证据。