蛋白激酶调控拟南芥响应低温胁迫的分子机理

Low temperature is a major environmental factor that limits plant growth, productivity and geographical distribution. Some progress has been made on cold signaling about the C-repeat Binding Factor/DRE Binding Factor 1 (CBF/DREB1) transcriptional regulatory cascade; however, how plants percept low temperature and which protein kinases act upstream of CBF genes to modulate cold signaling remain largely unknown. We previously identified a protein kinase, named PRK10, which mediated plant response to cold stress dependently on CBF pathway. In this study, the exact role that PRK10 plays in regulating cold stress will be investigated using genetic, biochemical, and molecular approaches. Furthermore, the biological significance of the interaction of PRK10 with HOS1 and ICE1 will be dissected. In addition, we will identify other novel interacting proteins of PRK10, and explore the molecular mechanism by which these components function in cold stress. This study will provide a better mechanistic understanding of plant responses to environmental stress, and gene resource for molecular plant breeding and crop improvement.

低温逆境是限制植物生长、作物产量和植被分布的重要环境因子。因此，研究植物如何响应低温具有重要的理论和实际意义。目前围绕 DREB1/CBF 转录因子开展的低温信号的研究有一定的进展，但是植物如何感受温度信号和 CBF 转录因子上游有哪些蛋白激酶参与调控并不清楚。我们前期筛选获得一个参与调控低温胁迫并依赖于 CBF 信号途径的蛋白激酶 PRK10。在本研究中，我们将采用遗传学、生物化学、分子生物学等手段，分析 PRK10 在植物应答低温信号中的作用，深入探讨 PRK10 调控其互作蛋白 ICE1 和 HOS1 的分子机制和它们相互作用的生物学意义；分离鉴定与 PRK10 相互作用的参与低温信号的其它重要蛋白，并解析这些新组分在低温信号途径中的作用机理。这些研究将有助于全面阐明植物应答低温信号的分子机制，为通过基因工程和分子设计育种方法提高植物的抗冷性提供理论依据和基因资源。

低温是限制植物生长发育和作物产量的重要环境因子，研究植物如何响应低温胁迫的分子机制，对改良作物抵抗低温，提高作物产量有重要意义。关于植物低温信号转导途径研究主要是围绕ICE1-CBF/DREB1信号途径开展，并取得一定的进展，但是该信号通路中是否有蛋白激酶参与尚不清楚。在本项目的资助下，我们在蛋白激酶调控植物低温应答中的分子机制方面取得突破性进展：（1）发现了首个作用于CBF信号通路的蛋白激酶OST1。OST1被低温激活后，磷酸化关键的低温正调节因子ICE1或新生多肽链复合体组分BTF3，抑制ICE1或CBF蛋白的泛素化降解，正调控植物的抗冻性。OST1激酶的发现为植物低温信号通路填补了一个重要空白。（2）阐释蛋白激酶OST1被低温激活的分子机制。（3）揭示了细胞膜上的类受体激酶CRPK1以及MPK3/6两类激酶负调控低温信号的分子机制。以上结果分别以SCI论文形式发表在国际重要学术期刊，包括Mol Cell、Mol Plant、PLoS Genet、Plant Cell Physiol 各1篇、EMBO J 和Dev Cell 各2篇、New Phytol 3篇。.蛋白激酶系列论文发表后，在相关领域产生了重要的国际学术影响。论文已被Plant Cell、PNAS、EMBO J、Nat Commun等国际主流学术刊物引用340余次。其中四篇论文（Li et al., 2017; Ding et al., 2015; Jia et al., 2013; Shi et al., 2015）多次在ESI显示为高被引论文。CRPK1的工作被Mol Cell杂志在同期发表Preview专文进行点评，并被F1000推荐。OST1-ICE1的研究工作被Dev Cell、Sci China Life Sci和《植物学报》发表专评，对该文予以高度评价。MPK-ICE1的研究工作被Dev Cell、Trends Plant Sci发表专评。上述多篇专评认为，蛋白激酶调控低温应答的系列研究成果是近二十年来植物低温研究领域的重要突破。