生长素信号途径协调植物响应低温胁迫的分子机制

Auxin, as the most important phytohormones, controls the most aspects of plant growth and developments. Recent elegant studies identified TIR1 receptor mediated auxin signaling in nucleus and ABP1/TMK receptor mediated auxin signaling on plasma membrane, which attract intense interest in plant research community. However, whether auxin involves stress response in plant till now is largely unknown. Plants, different from animals, are immobile under environmental conditions. Thus, plants developed numerous mechanisms in response to environmental stresses, including cold stress, which is one of key environment stress that affects agriculture. During stress conditions, plant would balance between development and stress responses to find the most efficient and safe strategy to survive. Our study indicates auxin might sense the temperature change and involve in the regulation of cold response, and the molecular mechanism under this regulation is the topic of this research proposal. Here,due to sensitivity of tmk1 and insensitivity of tmk2 to cold stress,we explore TMKs bingding protein and phosphorylation changed protein by proteomics and transcriptome method, then test target protein's function response to cold stress and their interaction with TMKs in binding, cellular and genetic levels. The above results will help us to answer the question of how plant response to cold stress through auxin-tmk pathway and also support to enhance plant cold tolerance then rescue the crop loss.

生长素作为植物最重要的激素之一几乎参与调节所有的植物生长发育过程。生长素细胞膜受体复合体ABP1/TMK的发现，拓展了对生长素调节生长发育分子机制的认识；然而生长素在植物抗逆过程中的作用机制一直是该研究领域的空白。在进化过程中，营固定生活的植物发展出多种分子机制来应对各种环境胁迫。其中低温胁迫是一种严重影响植物生长并导致农业减产的环境因素。因此，探究植物响应低温胁迫的分子机制，改良植物抗寒性能，对于增加农业生产具有重要意义。基于TMKs的蛋白激酶属性和tmk1突变体低温不敏感，而tmk2突变体低温敏感的表型；拟采用蛋白质组学，磷酸化蛋白质组学结合转录组学的方法，研究低温胁迫时，与TMKs相结合的蛋白及磷酸化水平改变的蛋白；通过对目标蛋白的功能分析及其与TMKs在分子结合、细胞及遗传层面的关系；阐明生长素通过TMKs响应植物低温胁迫的分子机制，为提高植物抗寒性和农业增产打下基础。

低温是造成植物减产的主要因素，生长素作为植物最重要的激素之一几乎参与调节所有的植物生长发育过程，其在非生物胁迫尤其是低温胁迫中的作用仍待阐明。植物响应环境低温刺激后，MAPK级联信号是传递外界刺激的并引起细胞反应的重要途径。生长素与MAPK级联信号之间如何协调共同调节植物在低温条件下的生长发育过程仍待阐明。.生长素细胞膜受体复合体ABP1/TMK 的发现，拓展了对生长素调节生长发育分子机制的认识； 基于TMKs 的蛋白激酶属性和tmk1 突变体低温不敏感， 而tmk2 突变体低温敏感的表型；我们采用了蛋白质组学，磷酸化蛋白质组学相结合的方法，研究了与低温胁迫信号相关，同时与TMKs 相结合的蛋白及磷酸化水平改变的蛋白；通过对目标蛋白的功能分析及其与TMKs 在分子结合、生化，细胞及遗传层面的关系；解释了生长素通过TMKs 影响植物低温胁迫信号的分子机制。.通过免疫共沉淀偶联质谱分析的方法，得到多类可与TMK1相互作用的备选蛋白，包括不同类型的受体激酶，磷酸酶，转录因子等等，其中蛋白激酶类中的MKK4片段数与评值均较高。MKK4属于MAPK 激酶家族成员之一，介导植物的生长、发育和形态建成以及各种生理应激等，也参与调控植物的逆境胁迫反应。 酵母双杂交实验显示TMK1只与MKK家族10个成员中的MKK4和MKK5特异性互作。免疫共沉淀、BiFC以及FLIM-FRET等实验进一步证明了TMK1与MKK4和MKK5在分子水平的结合。蛋白磷酸化实验表明TMK1能够磷酸化MKK4和MKK5，同时生长素能够在体内激活MKK4/MKK5的下游信号分子MAPK3/MAKP6,进而我们在拟南芥原生质体系统中证明了生长素通过TMK1磷酸化MKK4/MKK5，从而最终影响MAPK3/MAKP6的磷酸化水平。这一工作充分揭示了生长素信号作用于MAPK信号途径的分子机制。