拟南芥SUMO E3连接酶AtMMS21调控胚胎发生机制的研究

The postembryonic growth and development, as well as the crop yields of the higher plants, all depend on the early embryogenesis. The meristems formed in the early embryo are the source and basis of all type of organs in the postembryonic development. Therefore, the study of plant embryogenesis has important theoretical significance and application value. Based on the preliminary findings, AtMMS21 plays important roles in the seed development, radicle initiation, root apical meristem and shoot apical meristem formation and maintenance. And the late embryo of the mms21-1 mutant showed severe defects. These findings suggested that AtMMS21 plays important roles on the embryogenesis from the early embryo stages. The present project intends to analysis the function of AtMMS21 in the embryogenesis, the cellular and molecular mechanisms of the AtMMS21 in regulating the embryogenesis, by comprehensively using the technology of the cell biology, molecular biology, genetics, biochemistry and plant physiology, on the basis of the preliminary findings; and to screen and identify the interactional protein of AtMMS21 through the methods of yeast two-hybrid, affinity purification, BiFC and so on; to elucidating the molecular network of the AtMMS21-mediated SUMO modification in the regulation of embryogenesis.The final results obtained in the proposed research will clarify a novel mechanism regulating the plant embryogenesis and provide the theoretical basis and genetic resource for molecular breeding of crops.

高等植物胚后的生长发育以及作物的产量依赖于胚胎发生，早期胚胎发生所形成的分生组织是植物胚后发育中各器官形成的源泉和基础，因而研究植物的胚胎发生具有重要理论意义和生产应用价值。本课题组在前期研究结果中发现AtMMS21影响了种子发育、胚根的发生、根尖和茎尖分生组织的形成以及晚期胚胎发育，表明AtMMS21在早期胚胎发生时期就已经参与了拟南芥胚胎发生的调控。本项目拟在前期研究的基础上综合运用细胞生物学、分子生物学、遗传学、生物化学和植物生理学等技术深入分析AtMMS21在植物胚胎发生中的功能，解析AtMMS21调控胚胎发生的细胞和分子机制，并利用酵母双杂交、亲和纯化、BiFC等方法筛选和鉴定与AtMMS21相互作用的蛋白，以期深入阐明AtMMS21介导的SUMO化修饰调控胚胎发生的分子调控网络。项目的实施将阐明一种新的植物胚胎发生调控机制，同时也能为农作物的分子设计育种提供理论依据和基因资源。

胚胎发育（embryogenesis）是拟南芥生命周期的初始阶段也是十分重要的一个阶段，单细胞受精卵经过一系列分裂分化作用后形成成熟的胚胎，同时通过决定细胞命运和模式形成来建立肧后发育的结构，因此胚胎发生的顺利进行是植物肧后正常发育的基础和保障。本项目研究的AtMMS21是一种拟南芥SUMO E3连接酶，是翻译后蛋白修饰SUMO化进程中的一个关键蛋白。AtMMS21基因突变会出现短根、卷叶、结果率低等表型，本项目研究发现该突变体在早期胚胎发育过程就已经开始不正常发育，通过对其异常发育原因的进一步探究发现，AtMMS21可以通过介导生长素信号途径调控拟南芥胚胎发育。具体结果如下：1）mms21-1突变体从胚胎发育4细胞开始出现异常分裂，并在随后的发育过程中出现各种不对称分裂、分裂面的紊乱、垂体异常建立、分生组织和维管发育异常等现象；2）以WT对照，mms21-1中多数胚胎发育调控相关的标记基因表达量均显示出下调趋势，这些标记基因虽然调控不同的发育过程，但都与生长素信号途径相关，为生长素应答途径下游的直接或间接靶基因；.3）mms21-1对外源生长素表现出一定程度的敏感性，外源生长素（IAA）处理WT可降低AtMMS21的表达量；外源生长素喷洒mms21-1，能够部分恢复其胚胎的异常表型；4）mms21-1中生长素极性运输蛋白PIN1的定位发生改变，由细胞基膜变为细胞内部，而在mms21-1中过表达PIN1能够完全恢复其表型，胚胎发育与胚后发育都表现出与WT类似的表型；5）AtMMS21作为SUMO E3连接酶，生化实验发现垂体调控标记基因WOX5可被SUMO化，双突wox5-1 mms21-1能进一步加强单突mms21-1胚胎的不正常。研究结果表明，拟南芥AtMMS21基因通过影响发育不同途径的关键基因来调控拟南芥胚胎发育，对理解早期胚胎发育分子调控机制有着重要的意义。