PPR184参与玉米籽粒发育和线粒体细胞色素c成熟的分子机理研究

Seed development is the key factor to affect crop production. As the workplace of oxidative phosphorylation and TCA cycle, mitochondria supply energy for seed development, its function deficiency usually causes embryo-lethal phenotype. Cytochrome c is the electron transfer vector in the oxidative phosphorylation process. It still remains unclear about the mechanism of mitochondrial cytochrome c maturation process. Nucleus-encoded PPR proteins play essential roles in the post-transcriptional RNA modification (RNA editing, RNA splicing, RNA maturation and RNA stability). By using transposon-tagged techniques, we isolated and cloned a seed development-associated PPR184 gene, whose mutation seriously affects the embryo and endosperm development of maize kernels. Primary results confirmed that PPR184 protein located in mitochondria and involved in the RNA editing (C to U) of the key ccmFN gene in the cytochrome c maturation process. This project aims to employ ppr184 mutants to reveal the molecular mechanism of PPR184 gene involving in the maize kernel development and to investigate ccmFN functions. The results will illuminate the plant cytochrome c maturation mechanism and its relationship with oxidative phoshorylation. This project possesses both theoretical value and relates closely with the crop production and molecular breeding.

种子发育是影响作物产量的关键因素。线粒体作为氧化磷酸化和三羧酸循环的场所，可为植物种子发育提供能量，其功能受损往往引起胚胎败育。细胞色素c是线粒体氧化磷酸化过程的电子传递载体，然而线粒体细胞色素c成熟机理尚不清楚。核基因编码的pentatricopeptide repeat（PPR）蛋白在线粒体基因转录后加工（RNA编辑、剪接、成熟、稳定）方面发挥重要作用。我们利用转座子标签技术从玉米中克隆了籽粒发育相关的PPR184基因，该基因突变会严重影响玉米籽粒胚与胚乳发育。初步结果证实PPR184蛋白定位于线粒体并参与了细胞色素c成熟关键基因ccmFN的RNA编辑。本项目拟利用ppr184突变体，揭示PPR184基因参与玉米籽粒发育的分子机制；解析线粒体ccmFN基因功能；阐明植物线粒体细胞色素c成熟机理及与氧化磷酸化的功能关联性。本项目既具有理论研究价值，又和粮食作物高产育种的分子设计密切联系。

种子发育和作物产量密切相关。线粒体为玉米种子发育提供能量和中间物质。 线粒体编码的基因表达受到严格的调控，其功能受损经常引起胚胎败育。核基因编码的pentatricopeptide repeat（PPR）蛋白参与线粒体基因的RNA编辑、剪接、成熟、稳定等，在RNA转录后加工方面发挥重要作用。我们利用转座子标签技术克隆了3个与玉米籽粒发育相关的PPR基因，阐明了其参与玉米籽粒发育和线粒体基因表达调控的分子机理，加深了对植物线粒体转录后RNA加工机理的认识，可为通过基因工程提高农作物产量提供理论依据。.1）. 发现了在细胞色素c成熟和玉米种子发育过程的RNA编辑因子PPR184： PPR184是一种E类型的线粒体RNA结合蛋白，其功能缺失导致线粒体细胞色素c成熟过程基因ccmB-43 和蛋白质翻译核糖体亚基rps4-335位的碱基不能进行正常RNA编辑，细胞色素c成熟和氧化磷酸化特别是复合物III功能缺失。上述研究解释了RNA编辑现象影响线粒体功能和种子发育的机制。.2）. 发现了调控线粒体氧化磷酸化多基因多内含子剪接的调控因子PPR151： PPR151编码一个P类型的线粒体PPR蛋白。PPR151突变造成玉米籽粒胚胎致死，线粒体氧化磷酸化复合物I nad1第4个内含子, nad2第1个内含子和nad4第1个内含子的剪接发生缺陷，严重地损害了复合物 I的组装和活性，同时负反馈影响了线粒体其他途径蛋白的表达和复合物的组装。结果证实PPR151是参与线粒体基因内含子剪接和呼吸链复合物 I的组装和活性的关键因子。.3）. 发现了调控线粒体氧化磷酸化基因nad2多内含子剪接的调控因子PPR94：PPR94是一个P类型的PPR蛋白，定位于线粒体。PPR94突变严重影响了胚胎和胚乳发育，造成胚胎致死的表型。PPR94突变导致线粒体氧化磷酸化复合物I nad2第2个内含子的反式剪接和第1，4个内含子的顺式剪接的缺陷。这最终影响了复合物I的组装，造成复合物I活性的降低，其他线粒体复合物反馈性地增加，造成交替氧化酶表达的增高。上述结果显示线粒体功能正常对于玉米的胚胎发生和胚乳发育是必须的。