微管骨架调控植物气孔形成的机制研究

Stomata consist of two guard cells that form small pores in plant leaves, which function as main route for CO2, O2 and water vapor exchange between plants and the environment. Stomata regulation and movement greatly impact the global atmosphere and the environment. Stomata formation in 400 million years ago is important milestone during plant evolution, especially for the landing of the early plants from the ocean to the land. Therefore, it has long been an important subject for the researchers to explore the molecular and cellular mechanisms of stomata formation. In the proposed study, using live cell imaging, combining with genetic, molecular biological and single-cell transcriptomic approaches, we will investigate the contribution of specific localization of microtubule nucleator, formation of radial microtubule arrays and selective cell wall thickening at ventral wall of guard cells to stomata formation. Furthermore, we validate our speculation using various mutants of stomata formation. Finally, we will decipher the mechanisms underlying stomata formation and regulatory networks. The predicted outcome will significantly advance our understanding how microtubule nucleators are specifically recruited to the ventral wall of guard cells, how the radial microtubule array is established in guard cells, the function of microtubules in the orientation of cellulose microfibrils, and molecular mechanisms underlying the selective thickening of the ventral wall and final stomata formation. Our findings will also provide significant insight into the improvement of photosynthetic efficiency and sustainable environmental development.

气孔是植物叶片表面的小孔，是植物进行体内外气体交换（包括水蒸气、CO2、O2）的阀门；气孔调节对全球环境的影响举足轻重。气孔的形成大约发生在4亿年前，是陆生植物进化过程中一个里程碑事件，在植物从海洋进化到陆地过程中发挥了关键作用。因此，气孔形成和开闭的调控机制一直是科学家探索的重大科学问题。本项目将以拟南芥保卫细胞为模型，运用活细胞显微成像，结合遗传学及单细胞转录组分析等研究手段深入研究植物气孔形成的分子细胞机制。将探究保卫细胞发育成熟过程中微管成核体（微管组织中心）的特异定位，放射状微管列阵的动态组装、保卫细胞腹壁选择性加厚这些标志性细胞生物学事件在气孔形成中的作用。进而利用气孔成形突变体进行遗传验证，最后利用单细胞比较转录组学分析揭示气孔形成的分子细胞机制及调控网络。预期研究结果将有助于最终阐明气孔形成机制，并对人们通过调节植物气孔开闭而提高光合作用利用效率和水分利用效率提供重要参考。

气孔是由植物表皮上两个高度特化的肾形或哑铃形的保卫细胞围绕组成的微孔结构，是植物与外界进行气体交换、水交换的孔道，在植物的光合作用和蒸腾作用中起着重要的作用。微管骨架及其指导的纤维素微纤丝的沉积在植物细胞形态建成中发挥中心作用，但是它们调控气孔的形成的机制尚不清楚，特别是保卫细胞细胞壁选择性加厚的调控机制鲜有报道。本课题运用活细胞显微成像技术，对拟南芥野生型和mus突变体，在气孔形成过程中微管和纤维素合酶复合体的动态特征进行了观察和分析。我们发现微管分布呈放射状，微管运动有极性：微管成核蛋白AUG3-GFP（定位于微管负端）在保卫细胞腹壁处富集；微管正端示踪蛋白GFP-EB1b多数是向背壁运动。而在mus突变体中，微管运动随仍然具有极性，但GFP-EB1b向背壁运动的比例较野生型成熟保卫细胞低。另一方面，我们进发现GFP-CESA3标记的纤维素合酶复合体运动也有偏向性，且在野生型保卫细胞中，向腹壁运动的比例要高。但是在mus突变体的保卫细胞中，GFP-CESA3的运动模式发生了改变，导致异常形态的保卫细胞产生。通过免疫共沉淀与质谱分析，我们鉴定了两个与MUS互作的微管结合蛋白IQD31和KINESIN13B，并推测MUS可能通过IQD31和KINESIN13B调控微管阵列的组织与纤维素的沉积，进而影响保卫细胞的形态建成。上述研究结果揭示了微管阵列组织及其指导的纤维素沉积在调控植物保卫细胞的形态建成中具有重要的作用。我们的研究为解析植物气孔的发育提供了新的细胞生物学证据。