AtHSPR基因调控拟南芥细胞扩展的分子机制研究

The study of functional genes on plant growth and development is one of current important and hot topics in plant biology sciences. In previous studies, we isolated a T-DNA insertion mutant in Arabidopsis, athspr (Arabidopsis thaliana heats shock protein related), which shows dwarf, decreased organ volume, and small cell size with shorten long axis, compared to wild type. However, the length of the cell is obvious increase in transgenic plants over-expressed AtHSPR gene, suggesting that AtHSPR may be involved in regulation of cell expansion, but its regulatory mechanism is unknow. In the present project, we plan to compare and analysis the phenotype and structure differences of athspr mutant, wild type and AtHSPR over-expression lines; to explore AtHSPR how to regulate cytoskeleton morphological structure and participate in auxin mediated cell extensions; to analyze whether AtHSPR is involved in cell proton acidification pathway; to explain interactions between AtHSPR protein and IAA27proteins, and to characterize all target genes of plant cell extension mediating by AtHSPR and it’s molecular regulation network at the transcription level, in order to reveal the regulatory function of AtHSPR in plant cell extension and signal transduction, using conventional, cell and molecular methodes. Obviously, the study of the function of AtHSPR will provide a new pathway and idea for revealing plant growth and development mechanism and it’s signal pathway. This project has not only the important scientific significance, but also the potential application in improving agricultural production.

植物生长发育功能基因的解析是当今植物学研究的重点。在前期研究中，我们分离到一个拟南芥T-DNA插入突变体athspr。与野生型相比，该突变体植株矮化、各器官体积减小、细胞长度缩减，而过表达AtHSPR基因时则细胞长度明显增加，表明AtHSPR可能参与了细胞扩展的调节，但其调控机制尚不知晓。因此，本项目拟以该突变体、野生型和AtHSPR过表达系为材料，采用常规和多种细胞与分子生物学方法，比较分析各株系的表型和细胞结构差异；探究AtHSPR如何调控细胞骨架的形态结构；解析其是否参与了细胞壁的松弛和质子酸化；阐明AtHSPR如何与IAA27蛋白相互作用并参与生长素介导的细胞扩展；通过转录组学全面解析AtHSPR调控植物细胞扩展的靶点基因及调控网络，揭示AtHSPR在植物细胞扩展中的功能及其调控机制。显然，本项目将为揭示植物生长发育机理提供新思路和新途径，具有重要的科学意义和潜在的农业生产价值。

植物细胞、组织器官的发育以及植物对外界不利环境的适应，通常依赖于植物程序化建成的正常细胞形态。植物组织器官的发育一般与细胞扩展、细胞分裂以及细胞通讯有关，其中细胞的扩展能够增加细胞的大小，进而影响植物的发育和最终器官的大小，因而解析细胞扩展介导的植物生长和器官大小的遗传调控机制，是当今植物发育生物学研究的重点。在前期研究中，我们在拟南芥中发现一个新的突变体athspr (Arabidopsis thaliana heat shock protein-related)。与野生型相比，athspr突变体植株矮化、器官体积减小且细胞长度缩短，而过表达AtHSPR显著增加了细胞体积和叶片大小，表明AtHSPR可能参与调节细胞的扩展，但其调控机制尚不清楚。本项目通过形态学比较、遗传杂交、生理生化、转录组学以及分子生物学等方法，系统全面地解析了拟南芥AtHSPR基因在植物细胞扩展中的生物学功能及其分子机制，为揭示植物叶片生长发育的调控机理及其信号转导通路提供了重要信息。项目主要研究成果如下：1）拟南芥AtHSPR通过调节生长素响应以及赤霉素合成和代谢相关基因的表达正向调控植物叶片细胞的扩展；2）发现AtHSPR蛋白与26S蛋白酶体20S中心体亚基PAD1和生长素响应因子IAA27蛋白三者之间相互作用，通过调控生长素内平衡及生长素极性运输进而调节拟南芥细胞扩展和叶片的发育；3）AtHSPR蛋白与卵形蛋白OFP1和KNOX-like同源蛋白KNAT5蛋白相互作用，通过调控赤霉素水平及其信号转导进而调控拟南芥花器官细胞的伸长和开花发育；4）AtHSPR蛋白与Actin家族成员ACTIN1和ACTIN4蛋白相互作用，可能通过影响细胞微丝骨架的排列进而调控细胞的扩展过程。综上，AtHSPR蛋白通过与相关蛋白相互作用进而通过调节生长素和赤霉素介导的信号通路及细胞骨架参与调控植物的细胞扩展过程。本项目不仅具有重要的科学意义，而且具有潜在的农业生产利用价值，研究结果为未来利用AtHSPR提高作物的生物量和生产效率提供了重要的理论基础。