拟南芥微丝交联蛋白CROLINs调控花粉管生长的分子机理研究

The polarized process of pollen germination and pollen tube growth is believed indispensable for sexual reproduction in flowering plants. Higher-order structures of actin cytoskeleton are essential for pollen germination and pollen tube growth. However, the mechanisms underlying the formation and maintenance of actin bundles in pollen remain largely unclear. The turnover and reorganization of actin bundles are specifically regulated by certain actin-bundling/crosslinking proteins. Recently, we identified a novel, putative actin cross-linking protein family named CROLIN that is well conserved only in the plant kingdom. In vitro biochemical analyses show that CROLIN1 is a novel actin cross-linking protein with binding, bundling, stabilizing and nucleating activity. In addition, CROLIN1 is also required for the stabilizing of F-actin in pollen grains and tubes. However, little is known about other CROLINS's physiological and biochemical functions. Thus, our goal is to understand the mechanism of CROLINs regulating the actin cytoskeleton during the pollen germination and pollen tube growth, which may play vital roles on this reserch area.

花粉萌发和花粉管生长是有花植物有性生殖所必需的生理活动，微丝骨架在此过程中起着至关重要的作用。然而，当前对于高级形态微丝结构的形成和作用机制仍不清楚。微丝束的形成受微丝成束/交联蛋白的调控，本课题最近在拟南芥基因组中发现了一个含有预测微丝交联结构域的功能未知蛋白家族，并自命名为CROLIN。序列对比分析发现，该家族只在植物中特异存在，该家族成员CROLIN1在体外具有结合、交联、稳定微丝的功能，并且有可能参与稳定花粉中微丝骨架，表明CROLIN是一类植物特有的微丝成束蛋白家族，而目前对于CROLIN其它家族成员的生理功能和生化性质完全未知。因此，本研究拟系统研究拟南芥CROLIN家族的组织定位、亚细胞定位、生化性质，以及该家族在花粉萌发和花粉管生长的生理功能，旨在揭示CROLIN家族的生理生化功能，以及微丝骨架在植物极性细胞生长中的分子机理，具有非常重要的理论研究意义。

花粉萌发和花粉管生长是有花植物有性生殖所必需的生理活动，微丝骨架在此过程中起着至关重要的作用。然而，目前对于高度有序的微丝骨架在植物中的形成机制仍不清楚。微丝束的形成和重塑受微丝成束/交联蛋白的直接调控，本课题前期在拟南芥基因组中发现了一个新的、植物特有的微丝交联蛋白CROLIN1，但对于该家族6个成员的蛋白特性和生理功能都完全未知。本项目系统研究了拟南芥CROLIN家族成员的组织定位、亚细胞定位、蛋白特性，以及该家族在花粉萌发和花粉管生长的生理功能。研究发现CROLINs六个成员在花中均有表达，其中CROLIN1/2特异在花和花粉中表达，而CROLIN3/4/5/6在各个组织均有表达；通过蛋白生化研究方法发现该家族成员CROLIN2/3/4/5在体外可以利用其微丝结合结构域结合和成束微丝，而CRILIN1则需要其C端结构域和ADB共同来结合和成束微丝；花粉萌发实验研究发现CROLIN1/2/5/6四突变体植株的花粉萌发受到抑制 ，但花粉管生长和野生型无显著差别，而其六突变体crolins株系的花粉萌发率降低，以及花粉管生长减慢，表明CROLIN家族成员共同参与调控花粉萌发和花粉管极性生长。进一步研究发现CROLIN功能缺失突变体花粉管中微丝含量降低，对微丝解聚药物Lat B更加敏感，并且微丝动态的改变导致花粉管中囊泡运输受到抑制，花粉管生长减慢。此外，本项目对CROLINs参与非生物胁迫也开展了相关研究，研究结果表明CROLIN3/4/5/6受到非生物胁迫不同程度的诱导表达，并且其在干旱和UVB响应中具有重要功能，相关机制正在研究中。因此，本项目研究结果揭示了植物特有的CROLIN家族蛋白特性和成束微丝的机制，丰富了植物高级形态的微丝骨架形成机制研究，具有原始创新性；同时为进一步揭示微丝骨架参与调控植物有性生殖和非生物胁迫等重要生理功能的分子机制研究提供了新思路。