拟南芥蛋白磷酸酶PP2A B'亚基调节BZR1脱磷酸化及控制雄配子体发生的分子机制

植物激素油菜素甾醇（Brassinosteroid, BRs) 调控植物生长发育的许多方面。过去十几年的研究已经建立了一条从细胞表面受体BRI1接受信号，到细胞核内靶基因表达等完整的BR信号转导通路，其中转录因子BZR1/BES1的脱磷酸化状态决定着基因转录的活性。我们前期工作在基金委的支持下，终于找到了使BZR1/BES1脱磷酸化的蛋白磷酸酶PP2A这一重要的信号组分。PP2A全酶由三个亚基组成，其中调节亚基B'中的若干亚型与BZR1互做并使其脱磷酸化，是BR信号途径的正调节子，但拟南芥中9个B'亚基的生物学功能并不相同。本项目就是在这一研究结果的基础上，继续探索B'亚基中不同亚型在拟南芥生长发育中的作用，以及它们在BR信号调控中的作用机制。特别是对已经产生表型的两个正调节因子α和 β亚基开展研究，深度解析它们在雄配子体发生过程中的作用机制；还将对η和θ两个负调节子的作用机理进行探讨。

花药发育及花粉的成熟过程复杂，涉及到激素调控，细胞间通信，及不同发育阶段的顺序转录调控等。多个转录因子参与其中，但是关于这些转录因子的活性是如何被调节的很少有详细的描述。之前的研究表明蛋白磷酸酶PP2A调节亚基α 和β是油菜素内酯（BR）信号通路的正调节子，它们在营养生长期通过使转录因子BZR1脱磷酸化而激活BR响应基因的表达，促进植物生长。本项目中，我们研究了PP2AB'α和β亚基在花药发育过程的作用，它们功能冗余地调节减数分裂之后小孢子的发育。首先通过遗传分析和表型观察，确定αβ双缺失突变体花药在四分体（第7期）及以后出现异常，最终产生大量体积小或细胞核无染色的花粉，只有极少数花粉粒正常；传递效率实验表明双突花粉败育是由于孢子体发育异常导致的，而不是配子体的问题。花药切片观察发现从第7期开始绒毡层细胞出现空泡化，小孢子部分降解，随后绒毡层细胞形态明显异常，导致花粉粒败育；原位杂交和荧光标记表明α和β正是在第七、八期花药绒毡层中和小孢子中表达；比较Col-0，b’αβ，bzr1-1D和b’αβ/bzr1-1D四种花药表型发现：bzr1-1D花药硕大，b’αβ花药弱小，αβ/bzr1-1D 三重突变体与αβ双突变体花药一样弱小，Western 结果显示，在bzr1-1D 中脱磷酸化的BZR1在αβ/bzr1-1D 中又被高度磷酸化，说明bzr1-1D促进花药发育依赖PP2A对其实行的脱磷酸化作用。利用RNA-seq比较四种基因型1-11期花药中RNA差异表达谱，结果显示，半胱氨酸蛋白酶编码基因CEP1在bzr1-1D 中上调，在αβ/bzr1-1D 和b’αβ 中下调，该基因执行花药绒毡层细胞的PCD过程且也是在花药发育的第7期开始表达，很可能作为PP2A-BZR1通路调节的靶基因。染色质免疫共沉淀（CHIP）结果表明BZR1可以结合在CEP1启动子的一个区域，原生质体转化实验表明CEP1在b’αβ中表达水平远低于在Col中的表达。除BZR1外，B’αβ还可能调节MYB80和TEK两个转录因子的活性。因为一方面它们分别与α和β在酵母中互作，另一方面它们调节的靶基因在Col中和在b’αβ 中表达量有明显差异。我们提出在花药发育过程中蛋白磷酸酶PP2A非常关键，调控众多的转录因子的磷酸化水平，并影响它们的转录活性。