拟南芥CAP1介导的铵调控根毛发育信号转导中间成分的鉴定和功能分析

Ammonium functions not only as an essential nutrient but also a signal molecule in plant growth. The homeostasis of ammonium in the plant cell is under tight control to prevent toxicity when in excess. Ammonium signaling plays important roles in regulating both the homeostasis of cytosolic ammonium and cell growth. Our previous work showed that AtCAP1, a [Ca2+]cyt-associated protein kinase, functions in ammonium homeostatic control by mediating vacuolar ammonium compartmentation and regulates root hair cell polarity growth via maintenance of tip-focused cytoplasmic Ca2+ gradients. However, it is still not clear for the underlying regulation mechanisms. We will screen and analyze the putative components in the CAP1-related pathway by the suppressor screening method. This will be helpful for understanding the mechanism implicated in ammonium regulated root hair cell growth and also helpful for improving the nitrogen use efficiency of crops in conditions of reduced fertilizer input.

铵作为主要的无机氮源和信号分子在植物生长发育中起重要作用。植物胞质铵含量必须保持稳定水平，过多则会导致铵中毒。铵信号转导系统在稳定胞质铵浓度和细胞生长中具有重要的作用。我们前期研究表明拟南芥基因CAP1编码的类受体蛋白激酶参与了铵调节的根毛生长，CAP1通过调控铵的液泡区域化，稳定胞质铵量，维持根毛的Ca2+梯度，最终调控根毛细胞的极性生长。但是我们对其中参与铵调节根毛生长的关键分子组份和分子调节机制仍知之甚少，本研究将利用CAP1缺失突变体，通过EMS诱变筛选获得遗传抑制子来分析CAP1介导的铵调控根毛发育信号转导的中间成分，以根毛细胞生长为主要研究对象，综合利用细胞分子生物学，遗传学和植物生理学生化等学科的研究方法，鉴定铵调节细胞极性生长的分子信号转导成分及其功能，解析铵调节根毛生长机制，为铵高效利用的育种提供重要线索。

N营养中重要的无机盐形式铵肥在农业生产中被大量使用，提高N肥的利用效率就需要解析N肥的吸收、利用机制。我们之前的工作得到了突变体cap1-1，它的根毛发育在MS盐上明显受抑制，但是在缺失铵盐的培养基上却得以恢复。根系中的根毛是植物获取土壤营养的主要部位，而cap1-1的表现就表明这是一个调节根毛生长和铵盐吸收利用的一个重要枢纽。CAP1是一类类受体蛋白激酶，通过研究我们寻找到CAP1未见报道的两个新的激酶活性位点，并通过实验验证它们对于CAP1调节根毛生长发育的重要性。另外在筛选CAP1的互作成分时我们确定下CAP1在调节根毛生长发育中通过与GEF1互作，影响到了ROPs，从而最终调节了根毛的生长发育。同时在我们的研究工作中还发现了一系列其他的基因如细胞骨架相关蛋白参与到了CAP1的根毛发育调节中。本研究深入分析该激酶的本身激酶活性机制，以及它的上下游成分来解释根毛发育如何在铵响应过程中被调控的，这不仅对铵盐响应的细胞极性生长提供重要的理论基础，并且对类受体蛋白激酶CAP1调节根毛发育做深入探求，补充了人们对于铵盐吸收利用机制的认知。