拟南芥MUP24.5基因维持种子粘液质结构的功能研究

During differentiation, Arabidopsis thaliana seed coat accumulates polysaccharides in the apoplast of epidermal cells. When mature seeds are imbibed, the rehydrated polysaccharides expand and rupture the outer cell wall, then released polysaccharides encapsulate the seed as viscous mucilage. The fact that the epidermal cells synthesize accessible cell wall polysaccharide-rich mucilage at a special time in development makes them well suited as a genetic model for studying cell wall biogenesis, function, and regulation. By laser capture microdissection of Arabidopsis seed epidermal cells with microarray analysis, we identified a T-DNA insertion mutant, which was caused by the disruption of an arabinogalcatan protein backbone MUP24.5. The mutant displayed thinner mucilage halos. Immunolabeling and monosaccharide composition analysis showed the significant reduction of arabinogalactan. Expression analysis indicated that MUP24.5 transcript levels were high in seed during seed differentiation, and MUP24.5 protein was localized in cell wall. This study aims to carry out a detailed functional analysis of MUP24.5 in Arabidopsis seed mucilage. We will emphasize to reveal the molecular mechanism underlying the structural modification of mucilage by the interactive actions among AGPs, cellulose, hemicellulose and pectin.

在拟南芥种子发育过程中，种皮细胞会大量合成和分泌粘液质多糖，该过程被认为是研究植物细胞壁多糖合成、结构和功能的理想模式体系。阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)是植物细胞壁的重要组成成分之一，在植物生长发育中发挥重要作用，然而目前其在种子粘液质中的功能尚不清楚。我们前期借助对拟南芥种子表皮细胞的激光捕获显微切割并结合基因芯片分析，筛选得到一个种子粘液质缺陷型突变体mup24.5，该突变体种子粘液质变薄且易脱落，阿拉伯半乳聚糖含量降低，而粘液质总糖含量没有发生明显改变；表达分析显示MUP24.5基因在种子表皮细胞分化过程中大量表达。在此基础上，本研究将深入解析MUP24.5参与拟南芥种子粘液质形成的生理功能，探讨粘液质中AGPs与纤维素、果胶互作维持种子粘液质结构的分子机制。这些研究将加深对AGPs生物学功能的全新认识，可能为高效转化利用的纤维生物质的定向设计和遗传改造提供新的研究思路和策略。

利用现代生物技术大规模开发和利用可再生性的非粮木质纤维素生物质资源，将其转化为液体燃料和大宗化学品既可减缓石油等不可再生资源的消耗，又可有效缓解能源资源紧缺。纤维生物质是植物细胞壁的主要组成，通过研究细胞壁结构和合成过程，培育高生物量以及可高效转化的纤维生物质原料是提高转化效率和规模生产的一个重要的方向。在拟南芥种子发育过程中，种皮细胞会大量合成和分泌粘液质多糖，该过程被认为是研究植物细胞壁多糖合成、结构和功能的理想模式体系。.阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)是植物细胞壁的重要组成成分之一，与纤维素、半纤维素、果胶和其他蛋白聚糖互相交联共同维持细胞壁的稳定性与完整性，并在植物生长发育中发挥重要作用。我们前期借助对拟南芥种子表皮细胞的激光捕获显微切割并结合基因芯片分析，筛选得到一个粘液质缺陷型突变体mup24.5，突变体种子粘液质变薄。通过单糖组成和糖苷键分析发现在外层粘液质含量增多而内层粘液质含量减少，阿拉伯半乳聚糖在外层和内层粘液质中含量都降低，由于阿拉伯半乳聚糖蛋白含量仅占粘液质总含量的5%，所以并没有影响粘液质总糖含量。红外光谱仪（FTIR）检测进一步证实mup24.5粘液质中阿拉伯半乳聚糖的降低，并且发现纤维素相关峰值发生改变。结晶化纤维素含量测定证实粘液质中结晶化纤维素含量降低而非结晶化纤维素含量上升。而免疫组化分析发现内层粘液质阿拉伯半乳聚糖蛋白检测不到，结晶化纤维素和果胶在细胞壁中的沉积发生改变。.综上所述，本课题阐述了mup24.5参与拟南芥粘液质中阿拉伯半乳聚糖蛋白的合成，即该基因合成阿拉伯半乳聚糖蛋白中富含羟脯氨酸肽主链的合成进而使阿拉伯半乳聚糖不能附着而影响整个阿拉伯半乳聚糖蛋白的合成。另外，本课题还在二级水平上深度解析了mup24.5维持粘液质结构的生理功能，即AGP能够介导纤维素的沉积，而纤维素的沉积过程进一步介导了粘液质果胶的沉积，从而进一步影响粘液质的结构。