玉米PPDK及其调控蛋白PDRP在胚乳淀粉合成和积累过程中的功能研究

Starch accumulation and carbon partitioning between metabolic pathways are very important for maize yield in filling grains. Our previous results indicated that the profiles of cyPPDKZm1 and cyPPDKZm2 protein expression were highly consistent with the starch synthesis, and the isoforms of the two proteins caused by multiply posttranslational modifications were also observed. The specific late-stage accumulation of the pyruvate orthophosphate dikinase (PPDK) suggests a critical role in starch synthesis and starch-protein balance through protein phosphorylation modified by PDRP (PPDK Regulation Protein). Here, we will further characterize the expression profiles of cyPPDKZm1, cyPPDKZm2, PDRP1, and PDRP2 in gene and protein level respectively, and analyze the complex components of interaction with PPDK with different phosphorylation modification; the amount of cyPPDKZm1, cyPPDKZm2, PDRP1 and PDRP2 will be regulated up or down through over-expression and RNA interference of the four genes in maize, by which the functions of these genes and that of the reversible phosphorylation on PPDK activity regulated by PDRP will be elucidated. All of these results will be helpful for us to set up the regulating network of PPDK during the period of maize seed development, and these will further supply the theoretical foundation of increasing maize yield for breeders.

玉米灌浆期淀粉合成和积累以及碳的分配极大地影响着玉米最终产量, 但目前对其调控机制了解得很少。我们的前期研究表明，在玉米灌浆期的胚乳中cyPPDKZm1和cyPPDKZm2蛋白表达量持续增加，表达趋势与淀粉的合成和积累模式高度一致，同时发现胚中PPDK-T527位点被高度磷酸化，但在胚乳中该位点无磷酸化修饰。以往研究表明玉米叶片中PPDK该位点被磷酸化后酶活性降低，这一结果暗示在胚乳中PPDK无磷酸化修饰其酶活性可能被激活，从而参与了调控胚乳中淀粉的合成和积累。本研究拟利用玉米不同灌浆时期的胚乳作为研究材料，分析cyPPDKZm1与cyPPDKZm2的磷酸化修饰及其在种子灌浆期的变化规律，鉴定与不同磷酸化修饰状态下的PPDK相互作用的蛋白；利用基因过表达和RNAi技术研究PPDK及其调控蛋白PDRP所催化的可逆磷酸化对灌浆期玉米种子淀粉合成和积累的影响，为进一步提高玉米产量提供理论基础。

玉米灌浆期淀粉合成和积累以及碳的分配对玉米最终产量影响很大，但目前对淀粉合成、积累和碳分配的调控机制知之甚少。丙酮酸磷酸双激酶PPDK（Pyruvate phosphate dikinase）是C4植物的光合关键酶，可以催化丙酮酸生成CO2最初受体（磷酸烯醇式丙酮酸，PEP），是C4植物高效固碳的关键，研究PPDK酶活性的调节及其功能具有重要的生物学意义。. 在本项目的支持下，我们开展了对PPDK蛋白多方面的研究工作，取得了很重要的进展。我们的结果表明光强对PPDK的磷酸化/去磷酸化及其酶活起了很关键的作用；通过双向电泳和质谱鉴定玉米叶片和种子中都存在多种不同的PPDK蛋白单体。在种子中主要表达cyPPDKZm1和cyPPDKZm2，其中cyPPDKZm2的表达水平最高。我们制备了PPDK总蛋白的抗体和不同磷酸化修饰位点的抗体，筛选到了C4型PPDK和cyPPDKZ1型的突变体，很快也会筛选得到cyPPDKZm2的突变体。酵母双杂实验表明PPDK与淀粉合成和累积相关的重要蛋白不是直接互作，而是通过其他蛋白形成大的复合体行使功能。我们工作通过遗传和生化手段深入解析了PPDK蛋白在玉米发育过程中的作用，为进一步提高玉米产量提供了理论基础和应用手段。