植物内质网-质膜连接点与VAP27蛋白所调控的细胞自噬机制对生物胁迫的响应

Direct contacts and interactions are found between different membrane structure interface, these are common features exist in most eukaryotic cells，however such mechanism has not bee fully characterized in plant system. For example, the endoplasmic reticulum (ER) are linked to the plasma membrane (PM) through the ER-PM contact site, its establishment and molecular composition have become partially elucidated in recent years, but its biological function is still largely unknown. Here we propose that the EPCS could functioned as a multi-functional hub, regulating various cellular activities, such as participating plant-microbe interactions. Previous study in our group identified that the core protein of plant EPCS complex, VAP27, could promote plant resistance to powdery mildew infection, and the aim of this application is to reveal the molecular mechanism required in this process. For example, we found that plant EPCS can interact with actin cytoskeleton-associated proteins and regulate the formation of autophagosomes. However, plant resistance can also be enhanced by upregulation of autophagy activity. Based on these preliminary result, we aim to study changes on the structure and function of actin, ER and autophagosomes around the pathogen infection site (Haustorium), identify the function of EPCS during plant response to biotic stresses. This study could in-depth our understanding on the regulatory mechanism of plant autophagy and has significant scientific importance and possible future application.

真核细胞中，多种细胞器可以相互作用，形成复杂的结构，调节一系列生命活动，但此机制在植物中知之甚少。以内质网-质膜通过ER-PM contact site（EPCS）形成的互作网络为例，其建立与维持的分子机制近年来已初步阐明，但其在植物中的生物学功能尚不清楚。根据前期实验发现，植物以EPCS为中心，可调控多种细胞活动，其中包括影响细胞骨架形态、调节自噬体的形成、参与植物-病原菌互作等。实验室相关研究同时证实，EPCS的核心蛋白VAP27可提高植物对白粉病菌的抗性，此现象很有可能是通过EPCS与多种微丝互作蛋白结合，并促进自噬体的形成而实现的；而自噬的提高，可直接影响植物的抗性。本研究将在此基础上，利用多种显微成像手段，通过观察白粉病菌侵染下微丝、内质网、自噬体的形成机制，研究EPCS在植物响应生物胁迫中的功能。其研究成果不仅可丰富细胞生物学的知识体系，而且为未来提高植物抗性改良提供理论依据。

在进化过程中，植物细胞逐渐的形成了一系列特有的细胞骨架-内膜体系。以植物内质网为例，其形态与运动主要是通过微丝骨架调控，这与动物细胞中广泛存在的微管调控机制有着很大的不同。内质网除了负责蛋白质加工，脂类合成等重要生命活动以外，还可与诸多细胞器形成一个庞大的细胞器互作网络，与叶绿体、线粒体、质膜都有着相互作用，并通过膜连接点（Membrane Contact Sites，MCS）得以实现，其中以内质网-质膜连接点（EPCS）最具有代表性。VAP27蛋白家族是定位于内质网与EPCS的核心成员，在本项目的资助下，我们得以对植物内质网细胞器互作的分子机制与生物学功能进行深入的研究，发现：1. 植物内质网-质膜互作对于细胞骨架排布与细胞形态建立至关重要，该调控机制通过定位于内质网-质膜区域的NET3C-KLCR1-IQD复合体得以实现；2. 细胞骨架对于自噬体的形成十分重要，在植物中可以通过内质网蛋白VAP27与微丝结合蛋白AtEH1/Pan1实现，调控内吞以及自噬体的形成；3. 植物内质网-质膜互作网络参与调控植物对生物胁迫的响应，在病原菌入侵的同时，EPCS的核心蛋白VAP27参与调控细胞骨架的重新排布与诸多膜转运过程；4. VAP27可特异性招募高等植物特有的胞吐复合体成员Exo84c，调控分泌囊泡的降解，调控植物早期生殖发育与柱头衰老；5. 揭示了VAP27参与调控内质网-线粒体互作与线粒体自噬的分子机制。总体上研究了EPCS对细胞骨架与自噬的调控机制，及其在植物细胞响应生物胁迫中的作用, 相关研究成果丰富了细胞生物学的知识体系，为提高植物抗性与遗传改良提供理论依据。