GPA1和THF1协同调控植物气孔保卫细胞大小的机理研究

Stomatal aperture is regulated by the reversible swelling and shrinking of plant guard cell. Stomata optimize the uptake of CO2 and concomitants loss of water vapour, through which balance the photosynthesis and respiration of plant. The density and size of stomata are two important factors that affect the gas exchange between plant and environment. The size of guard cell directly affects the size of stomata. We found: overexpression of cGPA1 in thf1 mutant could markedly increase the size of guard cell as well as its nucleus. At the same time, the number of chloroplast inside the guard cell almost doubled. The above data implied that nuclei of cGPA1/thf1 undergo endoreduplication. In this project, we will firstly isolate the guard cell protoplast and precisely identify the DNA level of these cells through Flow Cytometry. RNA-seq will be carried out with the isolated guard cell protoplast. The key genes that regulate nuclei endoreduplication in cGPA1/thf1 will be identified. Furthermore, the effect of chloroplast-protein THF1 on the G-protein (GPA1) signal pathway in regulating endoreduplication will be evaluated on the base of above results. Besides, the stomata dynamics of different sizes of guard cells will be characterized, which will provide theoretical guidance for the cultivation of new drought resistant varieties with high photosynthetic efficiency and high water use efficiency.

植物气孔保卫细胞的主要功能是通过胀缩调控气孔的开关，控制二氧化碳进入和水蒸气溢出植物体的速率，平衡植物的光合作用和蒸腾过程。气孔的数目和大小是影响叶片与周围环境气体交换的两个主要因子。保卫细胞体积的大小直接影响气孔的大小。我们发现：在拟南芥thf1中过表达cGPA1可以显著增加保卫细胞及其细胞核的体积，叶绿体数量也增加一倍左右，初步表明保卫细胞发生了核内复制（Endoreduplication）。在此项目中，我们将分离气孔保卫细胞原生质体，通过流式细胞仪精确测定DNA含量；通过RNA-seq以及相关技术确定控制核内复制的关键基因，在此基础上分析叶绿体蛋白THF1对G-蛋白（GPA1）信号在调控核内复制过程中的影响作用。通过比较不同大小保卫细胞组成的气孔的运动特性，为培育高光合效率和高水分利用效率的抗旱新品种提供理论指导。

植物气孔保卫细胞的主要功能是调控气孔的开关，控制二氧化碳进入和水蒸气溢出植物体的速率，平衡植物的光合作用和蒸腾过程，所以对于植物的生长发育以及对环境的适应能力非常重要。以往对植物气孔的研究多集中在气孔数目的变化以及气孔的开关。我们研究发现在拟南芥thf1突变体中过表达cGPA1可以显著增加叶片气孔保卫细胞的体积。在本项目中，我们主要研究cGPA1/thf1气孔保卫细胞体积增大的机制；气孔保卫细胞增大相关基因的变化及其可能信号通路；THF1和GPA1相互作用对细胞增大的影响；拟南芥保卫细胞体积增加对于叶片失水和光合作用的影响等。研究发现一个细胞质定位蛋白GPA1和一个叶绿体蛋白THF1可以协同调控气孔保卫细胞大小是由于促进了其核内复制过程。在此过程中，促分裂原蛋白活化激酶（MAPK）信号级联系统可能作为下游信号分子起到了重要的作用。本研究还发现气孔保卫细胞体积的增加并不会增加植物的失水速率，同时光合活性也没有发生明显的改变。这一结果有助于人们进一步认识气孔数目和气孔保卫细胞体积对于其生物学功能的影响。此外，该研究也使得我们认识到气孔保卫细胞的发育存在物种特异性，如在水稻和油菜中改变cGPA1和THF1的表达不会引起气孔保卫细胞体积的改变。