肌醇代谢途径调控植物细胞分裂

Inositol is an essential cyclic polyol in living organisms. Its diverse derivatives are involved in plethora cellular processes. Despite numerous discoveries in animal research, there are still many unknowns for the biological functions of inositol and its derivatives in plant cells. We recently found that inositol metabolic pathway is essential for plant mitosis. By reverse genetic screening, we obtained an inositol metabolism related Arabidopsis mutant cp, which shows inhibited root cell division, forms hollow cell walls through centripetal cell plate development, and displays endoreduplication. However, the link between inositol metabolism and plant mitosis remains elusive. Here we propose to employ inositol derivative treatments, fluorescent marker tracing, chemical inhibitor treatments, and EMS mutagenesis, etc, to reveal the mechanism of inositol derivative regulated Arabidopsis cell plate development and cell cycle, and advance our knowledge of precise regulation in plant cell division. The expected results of this proposal could also provide clues in cell division control of crops and improve the yield in agriculture practice.

肌醇是生物体必不可少的环状多元醇，其多种多样的衍生物参与了许多重要细胞过程。尽管在动物中有大量的研究，肌醇及其衍生物在植物细胞中的作用还有许多未知。申请人最近的研究表明，肌醇相关代谢途径对植物体细胞分裂有重要的作用。我们通过反向遗传学筛选得到的肌醇途径拟南芥突变体cp，表现出受抑制的根细胞分裂，部分细胞不能通过正常的细胞板生长完成胞质分裂而是形成中间空洞的细胞壁，以及发生内复制现象。然而，肌醇代谢途径是如何影响植物有丝分裂还不清楚。本项目拟结合肌醇衍生物处理、荧光标记示踪、化学抑制剂处理和构建EMS恢复突变体库等手段，揭示相应肌醇衍生物在拟南芥细胞板生长、细胞周期调控中的作用机理，并拓展对于植物细胞分裂精密调控机制的认识。预计本研究的结果可以用于实际生产中作物细胞分裂的调控，实现农作物产量的提高。

细胞板是所有陆生植物和部分水生植物细胞分裂的特有结构，在植物胞质分裂中起关键作用。细胞板的形成和发育涉及囊泡运输，囊泡融合，管状化化等一系列内膜动态精确调控的过程，而且其中的分子机制还存在很多未知。我们通过一个拟南芥胞质分裂突变体cp，对细胞板的发育调控进行了解析。cp突变体的根表现出不完整的胞质分裂以及细胞核内复制的现象。FM 4-64染色和透射电子显微镜观察到突变体的细胞板呈现空洞和断裂膨大的表型。利用微管蛋白标记和细胞板染色动态观察了cp突变体的细胞板发育过程，结合透射电镜图像，发现细胞板囊泡的融合以及融合囊泡的管状化发生了障碍。动态观察细胞板的发育过程发现，突变体的细胞板延伸很慢，新形成的细胞板不能保持稳定结构，同时和野生型成膜体微管从内向外的运动方式不同，突变体成膜体微管发生往返运动。过表达细胞板标记蛋白DRP1A能够部分互补cp突变体的表型，说明DRP1A参与了CP蛋白介导的细胞板发育过程。我们通过EMS诱变进一步筛选到一个cp突变体的抑制子VLR_95，VLR_95能够互补cp突变体不完整细胞分裂的表型。通过遗传背景清除和深度测序，鉴定出VLR_95的候选突变基因，SALK突变体杂交实验和VLR_95基因过表达实验验证了这个候选基因。亚细胞定位显示VLR_95在细胞板和质膜都有分布。脂结合实验证实VLR_95蛋白能特异的结合磷脂酰肌醇磷酸。此外我们利用一系列脂标记蛋白观察了cp突变体中包括细胞板在内的内膜系统的多种磷脂分布和含量。综合CP基因和VLR_95基因的生化功能，我们提出了一个新的细胞板发育的调控模型。