拟南芥NAA10/15基因参与胚胎发生和胚乳细胞化的分子机制

In higher plant, individual life started from embryo and endosperm development, study on their regulation pathway cloud help us to deeply understand the functional mechanism of cell division and differentiation in tissue formation and organogenesis, also improve our knowledge about seed development rules. The protein N-terminal acetylation plays a vital role in maintaining its structure and function. Our study shows that the Arabidopsis NatA（N-terminal acetyltransferases A）is composed of the catalytic subunit NAA10 and the auxiliary subunit NAA15, mutation in any of the two genes gave rise to disturbed embryo and endosperm development: the cell division pattern was disordered in early embryo stage and proper cellularization process of endosperm nuclei could not be started, finally leading to seed abortion. Moreover, multiple techniques of genetics, cell biology, molecular biology and biochemistry will be utilized to investigate the biological functions of NAA10/NAA15 gene in embryo and endosperm development, including gene expression pattern, protein subcellular localization, mutant defective characteristics, acetyltransferase enzyme activity, and the relationship between other key regulatory proteins. Our research will focus on the molecular mechanism in regulating early embryonic cell division pattern and endosperm free nucleus cellularization, also explore the partnership between embryo and endosperm during the seed development, so this study will have important theoretical significance and potential application value.

高等植物的胚胎和胚乳是个体生命的起点，对其发育调控途径的研究有助于理解细胞分裂和分化在组织器官形成中的作用机制，并提高对种子形成规律的认识。乙酰化修饰在维持蛋白结构和功能中扮演重要角色。本研究发现拟南芥N端乙酰转移酶NatA中催化亚基NAA10和辅助亚基NAA15的缺失造成胚胎早期细胞分裂模式异常和胚乳游离核细胞化缺陷，导致种子败育。本项目将通过遗传学、细胞生物学、分子生物学及生物化学等多种技术手段进一步研究NAA10/NAA15基因的表达模式、编码蛋白的亚细胞定位、突变体的表型特征、复合物的乙酰转移酶催化活性、及与胚胎和胚乳发育中其他关键调控蛋白之间的相互关系，揭示NatA在胚胎和胚乳发育中的生物学功能，特别是调控胚胎早期细胞分裂模式和胚乳游离核细胞化的分子机理，并探索种子发育过程中胚胎和胚乳之间的相互关系。本项目关于拟南芥胚胎和胚乳发育的分子机理研究将具有重要理论意义和潜在应用价值。

被子植物通过双受精形成受精卵和受精极核，经过一系列的精确调控的细胞分裂与分化后发育为胚胎和胚乳，最终成为种子的主要部分。真核生物中蛋白的N端乙酰化普遍存在，其中NatA是最主要的蛋白N端乙酰转移酶，由催化亚基NAA10和辅助亚基NAA15组成。本项目采用遗传学、细胞生物学、分子生物学及生物化学等多种技术方法研究了拟南芥中NAA10和NAA15基因在种子发育过程中的生物学功能。研究结果表明NAA10和NAA15基因在拟南芥不同组织和器官中广泛表达，且其编码的蛋白均定位在细胞质中。缺失NAA10或NAA15基因均会导致成熟角果中出现一定比例的白化胚珠，其早期胚胎发育中细胞分裂模式发生被改变；胚乳细胞不能正常形成细胞膜和细胞壁，最后导致种子败育。对多个胚胎或胚乳特异基因在突变体中的表达分析显示其胚胎中顶端分生组织、子叶原基、表皮细胞层原、内部皮层细胞和静止中心的分化均出现了异常；胚乳游离核的细胞化进程出现异常，胚乳游离核标记基因的表达时间被显著延长，进一步从分子水平证实胚乳的细胞化障碍并揭示了可能的调控机制。胚胎特异启动子的回复能够部分补偿突变体的胚胎发育，而胚乳细胞化缺陷却没能得到回复，表明胚胎和胚乳发育中NAA10和NAA15基因发挥着相对独立且必不可少的重要功能。将胚乳细胞化负调控基因AGL62的突变引入naa10-1及naa15-1中能其回复其胚乳细胞化的缺陷，表明NAA10和NAA15基因可能通过抑制AGL62在胚乳发育中功能从而参与了胚乳细胞化的起始。该研究有助于我们提高对种子形成规律的认识，并对农作物品种的改良提供重要的科学依据。