拟南芥核孔蛋白Nup98对植物衰老调节机制的研究

Nuclear pore complex is the key bridge of substance communication, including mRNA and protein transportation, between nucleus and cytoplasm, while senescence is an important cellular progress sensing to developmental and environmental cues. However, the understanding on the regulation mechanism of nucleoporins on plant senescence is very limited. We obtain a nucleoporin nup98a nup98b double mutant in Arabidopsis, which shows significant early-senescence phenotype; further analysis indicates the early-senescence may result from the defect of starch degradation. In this proposal, based on our previous results, we try to elucidate the function of Nup98a and Nup98b on senescence and its molecular mechanism controlled by developmental and environmental cues, and then screen out their cargos and downstream genes. The results will reveal new functions of nuleoporins, Nup98a and Nup98b, and open a new field for plant senescence.

核孔复合物是真核细胞中细胞质与细胞核之间物质交换的重要桥梁；衰老是发育和环境等因素调控的重要生理过程。但目前在核孔复合物对植物衰老调控机制方面的认识非常有限。本实验室筛选到的拟南芥核膜孔蛋白Nup98a和Nup98b基因的双突变体，具有明显的早衰表型；初步研究表明，其表型与淀粉降解功能的缺陷有关。本项目在此基础上，利用现代生物学技术，深入研究拟南芥Nup98a/b基因的功能以及发育和环境信号对其功能的调控机制，并筛选Nup98a/b的运输分子（cargo）和下游调控基因，力图阐明Nup98a/b基因对植物衰老调控的作用机制。研究结果将揭示核孔蛋白Nup98的新功能。

本项目克隆了拟南芥中两个Nup98的同源基因（Nup98a和Nup98b）及其相应的启动子，筛选获得两个基因的无义单突变体（nup98a和nup98b）；同时构建nup98a nup98b双突变体。研究表明：两个单突变体没有明显的发育表型，但是双突变体具有早花和衰老双重表型；过表达Nup98b基因可以完全恢复双突变体的表型；Nup98a和Nup98b蛋白都主要定位于细胞核膜；Nup98a和Nup98b功能冗余；双突变体的早花表型受光周期调节，并且依赖于成花素基因FLOWERING LOCUS T （FT），但是与日长测量基因CONSTANS（CO）无关；此外，双突变体中多条开花途径的重要基因（光周期途径、年龄途径、生物钟相关途径等）的表达都有显著的影响。Nup98a/b基因对衰老的调节是通过衰老的多条途径实现的，并且与生物钟有关；这两个基因的共同缺失导致能源饥饿相关的标志基因（DORMANCY-ASSOCIATED PROTEIN-LIKE 1 ，DRM1/DYL1；DARK INDUCIBLE 6 ，DIN6）、早衰标志基因（SAG12 和WRKY53）以及自噬标志基因（ATG8a和ATG8e）表达上调。nup98a nup98b双突变体衰老的直接原因是体内淀粉降解受到抑制，导致细胞能源饥饿，而与光合作用的同化物合成没有显著的关系。因此，外源施加糖（蔗糖）可以恢复双突变体的衰老和早花表型。最后，FT基因突变可以回补双突变体的早花表型（nup98a nup98b ft三突变体表现为晚花），但是不能回补双突变体的早衰表型。说明植物的开花和衰老这两个重要的发育过程不是偶联的，至少Nup98基因可以将它们分开。也就是说早花和早衰虽然都受到Nup98 的控制，但是，它们各自调控的pathway是不同的。