植物磷脂酸磷酸酶LPPa5 在膜脂代谢和生长中的作用及其分子调控机理

Plant growth and development are regulated by multiple pathways, and the molecular mechanism is complicated. Lipids are vital players involved in various biological processes including metabolism，energy storage and signal transduction in cells. Phosphatidic acid phosphatase (LPP)catalyzes a crucial step in lipid metabolism via dephophorylating phosphatidic acid (PA) to produce diacylglycerol(DAG). Both PA and DAG are important regulators and signal messengers. However, the biological function and molecular mechanism of plant LPP are still unclear. Recently, we isolated a LPP gene from rice genome and found that LPP plays an important role in plant growth and development. To further characterize the biological function and regulation of LPP, we will perform systemic approaches including genetics, biochemistry, metabolism, and molecular interaction assay and mass spectrometry to dissect the signaling network mediated by LPP. The completion of this study will shed light on lipid metabolism and molecular mechanism in plant growth and development. It also will provide the valuable basis for improving crop plant production.

植物的生长发育调控机制复杂，涉及多条代谢和信号通路。脂质是生物体物质代谢、能量转换和信号转导的重要参与者，往往调控多条通路，广泛参与各种生物活动过程。磷脂酸磷酸酶（phosphatidic acid phosphatase, LPP）通过催化磷脂酸（PA）去磷酸化而产生二脂酰甘油(DAG)，是调控脂质合成代谢途径的重要分支点。然而，植物LPP的生物学功能和分子机理尚未清楚。我们前期研究发现水稻磷脂酸磷酸酶OsLPPa5在植物生长发育中具有重要作用。本研究将进一步通过分子遗传、生化、代谢组学、细胞超微结构、Co-IP、蛋白组学和高通量质谱技术等方面系统阐明OsLPPa5的生物学功能，解析OsLPPa5介导的膜脂代谢在植物生长发育中的分子调控网络及其关键节点，填补膜脂代谢和信号的未知科学理论知识，并挖掘调控作物生长发育和产量的重要新基因，为作物高产育种提供理论依据和原创性成果。

脂磷酸磷酸酶 (lipid phosphate phosphatase, LPP) 催化脂质磷酸如磷脂酸PA 和二脂酰甘油焦磷酸(DGPP)的去磷酸化而生成二脂酰甘油(DAG)。PA 和 DAG 均是重要的脂质信号分子，也是膜质代谢中的重要中间产物，广泛参与生长发育和逆境胁迫反应过程。目前，有关脂磷酸磷酸酶的研究大多限于动物，植物LPP的研究相对滞后，对其生物学功能和分子机制了解甚少。本课题分析了水稻 LPP5 的生物学功能及分子调控。结果表明LPPα5 在水稻的生长发育过程中起着正调控作用。LPP5 缺失导致植株生长受阻，植株变矮，叶色变浅，特别是生长后期叶片严重黄化，叶绿素含量明显低于对照野生型，且类囊体膜结构发生缺陷。这些缺陷表型均可被 LPP5 基因的回补而恢复，表明 LPP5 在植物生长和类囊体膜形成中具有重要作用。LPP5基因在绿色和生长旺盛组织如叶片、根尖及根毛发生点的表达量明显高于其它组织，LPP5 主要定位于内质网。生化分析表明 LPP5 可催化PA、DGPP 和溶血磷脂酸，分别生成DAG 和单脂酰甘油(MAG)。LPPα5 活性在 pH7.0 条件下最高，且不依赖于 Mg2+，也不受微摩尔浓度的 Ca2+、Mn2+ 和Fe3+ 等金属离子的影响，但受N-乙基马来酰亚胺所抑制。脂质代谢组分析发现 LPPα5 缺失导致叶片的单半乳糖二脂酰甘油 (MGDG)、双半乳糖二脂酰甘油 (DGDG) 和磷脂酰乙醇胺 (PE) 含量显著低于野生型。通过荧光PA的示踪分析发现lpp5 突变体细胞中荧光信号由内质网进入叶绿体时间明显滞后。这些结果表明在叶片组织 LPP5 活性产生的 DAG 主要为糖脂 MGDG 和 DGDG 合成提供前体物，从而调控叶绿体膜脂的正常合成和光合作用的正常运行。