HDG2转录因子调控拟南芥种皮粘液质结构的分子机制研究

Arabidopsis thaliana seed coat mucilage has become one of the ideal model systems for the studies regarding the synthesis and regulation of cell wall polysaccharides, the cross-linking and interaction among different cell wall components (e.g. cellulose, hemicelluloses and pectin). Cellulose is one of the main components of seed coat mucilage. Cellulose microfibril is cross-linked with hemicellulose components (e.g. xylan and galactoglucomannan) and pectin (e.g. RG I), thus plays a determinant role in the structural maintenance of the seed coat mucilage. Although key genes involved in the biosynthesis and assembly of cellulose have been reported, the molecular mechanisms underlying the regulation of cellulose biosynthesis and assembly remain to be clarified. In our preliminary study, an HD-Zip transcription factor HDG2 was identified to be involved in the biosynthesis of cellulose in seed coat mucilage. The current project is aimed to characterize the functional roles of HDG2 in the biosynthesis and assembly of cellulose. The downstream target genes and interaction proteins of HDG2 will be identified by ChIP-seq, RNA-seq and Yeast two hybridization techniques, and the molecular mechanisms and the regulation networks governing cellulose biosynthesis and assembly in seed coat mucilage will be elucidated. The results obtained will provide novel insights into the biosynthesis and regulation of plant cell wall polysaccharides, thus lay the theoretical basis for the tailor designing of cell wall composition and structure by genetic engineering means.

拟南芥种皮粘液质已成为研究细胞壁多糖合成、调控以及不同细胞壁成分（如纤维素、半纤维素和果胶）互作的理想的模式体系之一。纤维素是种皮粘液质的主要成分之一，纤维素微纤丝通过与半纤维素成分（如木聚糖和半乳葡甘露聚糖）和果胶质（如RG I）相互交联，在种皮粘液质的结构维持中起着决定性作用。目前参与纤维素的生物合成和组装的关键基因已被报道，但是纤维素合成调控相关的分子机制仍不十分清晰。申请人通过前期研究工作，利用拟南芥种皮粘液质为研究体系，鉴定出了一个参与种皮粘液质中纤维素合成的HDG2转录因子，本项目拟深入解析HDG2在纤维素合成与组装中的功能，通过ChIP-Seq、RNA-seq和酵母双杂交筛选其调控的下游靶标与互作蛋白，阐明HDG2参与种皮粘液质中纤维素合成与组装的分子机制和调控网络，为植物细胞壁多糖合成与调控提供新的研究方法和思路，并为将来通过人工分子设计细胞壁的组成和结构奠定理论基础。

拟南芥种皮粘液是研究细胞壁多糖生物合成与调控的理想模式体系。本研究利用该研究体系，鉴定了一个在拟南芥种皮发育中特异表达的同源异型盒蛋白HD-Zip IV亚家族转录因子HOMODOMAIN GLABROUS 2（HDG2），并解析了其调控种皮粘液质结构的分子机制和调控网络。通过对hdg2粘液质表型的钌红染色表型分析、单糖组成成分分析、不同发育时期种子切片观察、种子扫描电镜分析，并利用识别不同多糖的单克隆抗体进行种子原位免疫组化分析，明确了HDG2主要通过影响结晶化纤维素的合成进而影响了粘液质的结构和形态。通过基因表达分析（RT-qPCR）、酵母单杂交（Y1H）、凝胶迁移率阻滞试验（EMSA）、原生质体瞬时表达分析和染色质免疫共沉淀-实时荧光定量PCR（ChIP-qPCR）等一系列分子生物学和生化证据揭示了HDG2通过直接结合CESA5启动子中的L1-box顺式作用元件并激活其表达，进而调控种皮粘液质纤维素的合成或组装，维持种皮粘液质的正常结构。此外，通过遗传学手段验证了CESA5过表达可以部分恢复hdg2-3的粘液质缺陷表型，更加证实了HDG2通过直接结合并激活CESA5基因的表达来调控粘液质的结构。研究结果将有助于加深对种皮粘液质中纤维素合成与组装的分子机制和调控网络的认识，并为将来通过人工分子设计可高效转化的细胞壁奠定理论基础。.在本项目的资助下，已在植物学领域知名期刊Plant Cell，Plant Physiology，Journal of Experimental Botany和GCB BioEnergy发表SCI论文6篇，在国内植物学领域一级学报植物生理学报发表论文1篇。培养了1名博士后、1名博士研究生和1名硕士研究生，均已顺利毕业或出站。培养了3名青年科研骨干，其中2人在项目执行期内晋升为副高级职称，圆满完成了项目的各项预期指标。