磷脂酰肌醇转运蛋白（PITP）调控拟南芥叶绿体发育的作用及机制

Phospholipid molecules play crucial roles in plant development and their structurally highly diversity, abundance are determined by the cellular localization, distribution and transfer. The maintenance of an appropriate lipid composition in cellular compartments is necessary to ensure a degree of membrane fluidity, topology of attached proteins, activity of membrane bound enzymes, exposure degree of surface proteins, and activation of specific signaling pathways. Phosphatidylinositol transfer protein (PITP), one kind of phospholipid transfer protein, present widely in eukaryotes, regulates multiple biological processes through mediating the phospholipids transfer between organelles. Our previous study has present that the subfamily of plant PITP, SFH5 and SFH7 shows the phenotype of leaf bleach, decreased amount of chlorophyll a and b, and the abnormal structure of thylakoid in their double mutant. In this project, we will further explore functional mechanisms of SFH5 and SFH7 in regulating plant chloroplast through genetics and lipidomics, which can provide the cues to understand the molecular mechanisms on phospholipids transfer between organelles and the functional roles of plant PITP.

磷脂分子在植物生长发育中发挥重要调节作用，其在细胞中的定位、分布和转运是其发挥生物学功能的基础。磷脂酰肌醇转运蛋白（Phosphatidylinositol Transfer Protein, PITP）是一类具有磷脂转运活性的蛋白，广泛存在于各种生物中，通过影响胞内磷脂在细胞器之间的转运，参与多种生物学过程的调控。我们前期的研究表明拟南芥PITP家族成员SFH5和SFH7基因突变后，双突变体出现黄叶的表型，进一步的测定表明叶绿素含量显著降低，显微观察发现叶绿体的形态和类囊体的结构出现异常。本项目拟基于前期研究基础，通过系统的遗传观察和脂质组学测定等，揭示SFH5和SFH7通过调控磷脂转运从而参与叶绿体发育调控的作用及分子机理，其结果将有助于阐明磷脂在叶绿体发育中的调控作用，也将为了解植物PITP的生物学功能及作用机制提供线索。

本研究利用模式植物拟南芥，对磷脂酰肌醇转运蛋白（Phosphatidylinositol Transfer Protein, PITP）家族成员SFH5和SFH7转运脂质的生物学机制进行了深入研究，综合利用分子遗传学、生物化学、细胞生物学、脂质组学等手段，阐明了SFH5和SFH7调控植物光合作用的分子机制。主要研究内容、重要结果、关键科学数据及其科学意义等将从以下几点进行概述。首先，通过对SFH5和SFH7基因表达水平、组织表达模式分析、突变体表型，以及透射电镜超微结构观察，明确了SFH5/ SFH7通过影响内囊体结构来参与植物光合作用的调控。其次，通过脂质结合以及脂质转运实验，明确了SFH5/SFH7与脂质合成的中间体磷脂酸（phosphatidic acid, PA）特异性结合，并在体外转运实验中发现SFH5/SFH7具有转运PA的活性。该结果进一步探索SFH5/SFH7细胞内对PA的转运奠定了生化基础。第三，通过共定位分析，观察到SFH5/SFH7在内质网和叶绿体中定位；脂质组分析发现，双突变体中叶绿体PA以及内囊体的重要组分单半乳糖甘油二脂（monogalactosyldiacylglycerol, MGDG）含量显著降低，这些研究结果提示SFH5/SFH7可能在细胞间将PA从内质网转运至叶绿体进行内囊体脂质MGDG的合成。我们进一步通过对MGDG酰基位置异构体的分析，发现在双突变体中Sn-2位上C18酰基脂肪酸链的含量显著降低，而已有的研究表明Sn-2位上C18酰基脂肪酸链主要来源于内质网上合成加工的磷脂，我们的分析进一步明确了SFH5和SFH7在细胞内将PA从内质网转运到叶绿体进行MGDG合成的分子机制。通过对SFH5和SFH7在细胞间转运PA调控植物光合作用的研究，为我们对质体的演化及细胞间脂质信号交流提供了认识与分子证据，也为进一步提高植物光合效率的研究奠定了基础。