拟南芥ROP6-RIC1信号途径通过调控动蛋白ARK2活性影响叶片表皮细胞形态建成

Previous studies have shown that ROP6-RIC1 signaling pathway promotes the formation of transverse microtubules to restrict lateral cell expansion in Arabidopsis pavement cells. Our genetic screens identified the armadillo repeat-containing kinesin-related protein 2, ARK2, as a downstream component of the ROP6-RIC1 signaling pathway. The ark2 phenotype is dependent on the function of microtubules. In vivo and in vitro studies showed that RIC1 physically interacted with ARK2. The project intends to analyze the role for RIC1 in promoting the microtubule-binding ability and microtubule-stimulated ATPase of ARK2, so as to contribute to well-ordered transverse cortical microtubules and restrict radial cell expansion. The research findings uncovered not only an explicit regulatory mechanism underpinning the regulation of microtubules alignment and ordering by ROP6-RIC1 pathway, but also a signaling pathway that regulates the plant-specific kinesin with microtubule binding and microtubule motor activity.

已有研究证明ROP6-RIC1信号途径促进了嵌合生长的拟南芥叶片表皮细胞凹陷区周质微管有序排列成横向微管列阵，调控细胞的扩张性生长和形态建成。本项目通过遗传筛选和图位克隆方法鉴定到了一个植物小G蛋白ROP6-RIC1信号途径的新成员ARK2。ARK2基因编码了一个植物特异的含有犰狳重复序列的动蛋白相关蛋白(armadillo repeat-containing kinesin-related protein)。遗传学证据表明，ARK2在ROP6-RIC1信号途径的下游发挥作用并且可以影响细胞内微管的排列方式。体外生化分析和双分子荧光互作实验证明，ARK2可以和RIC1在体外和细胞内直接结合。本项目拟分析ARK2是如何通过与RIC1的结合，增强了细胞中ARK2的微管亲和性和马达活性，最终有利于微管形成有序排列的横向微管列阵，进而影响了表皮细胞扩张性生长的调控机制。

微管的组织和排列情况对细胞生长和形态建成非常重要。微管马达蛋白kinesin在各种动物组织的细胞生长和形态建成过程中的作用已有很多研究，然而kinesin在植物细胞形态建成中的作用还知之甚少。通过本项目的研究，我们筛选到了一个下胚轴显著增长的突变体，经鉴定发生突变的基因为ARMADILLO REPEAT KINESIN2 (ARK2)，是一个含有犰狳重复序列的驱动蛋白相关蛋白。通过生化分析及亚细胞定位观察，证明ARK2为一个微管马达蛋白，可以在体内、体外结合微管并使微管成束。ARK2参与了光照条件下周质微管的转向，进而负调控下胚轴细胞伸长生长。光下ARK2稳定存在，抑制下胚轴伸长生长，参与光形态建成。暗下，ARK2通过E3泛素连接酶COP1介导的26S蛋白酶体途径降解，进而失去对微管的调控作用，有利于黑暗条件下下胚轴的伸长生长。通过本项目的研究，深入解析了下胚轴细胞光形态建成过程中微管马达蛋白对光信号的响应，通过对周质微管排列方向的调控进而影响下胚轴伸长生长的分子机制。