拟南芥TRANSPORTIN 1在茎尖顶端分生组织干细胞稳态维持中的作用

In higher plants, shoot apical meristem (SAM) gives rise to all post-embryonic above-ground organs, and its proper functions require balanced maintenance of a group of so-called “stem cells”, which reside within SAM. However, it remains far to be clear how the homeostasis is regulated, therefore one of the hottest basic research topics for plant scientists. Our preliminary data indicated that, in model plant Arabidopsis thaliana, TRANSPOTIN 1 (AtTRN1) is required for SAM’s development and its stem cells’ activity. By genetic screening for suppressors of its mutant, KAKTUS (KAK), encoding a ubiquitin protein ligase, was identified. In addition, yeast two-hybrid experiments suggested that AtTRN1 and KAK physically interact. Based on these facts, we propose to further investigate the underlying mechanism by screening these two proteins’ interaction partners followed by studying related biological effects, in order to better understand their roles in this regulation network. It is also very possible that the results of this proposal are helpful for other biological processes in which AtTRN1 and KAK are involved.

茎尖顶端分生组织（Shoot Apical Meristem，SAM）是植物胚胎后发育过程中地上部分不断生长并形成新器官的来源，其中干细胞群体的稳态维持受到多种因素的调控，是当前基础生物学研究领域的热点之一。我们的初步研究结果暗示，模式植物拟南芥TRANSPOTIN 1（AtTRN1）对SAM及其干细胞维持正常活性是必需的。通过遗传学筛选其突变体的抑制子，我们发现泛素连接酶KAKTUS（KAK）共同参与了这一生物学过程。酵母双杂交实验结果说明，它们的蛋白质之间存在直接相互作用。在此基础上，本课题拟通过筛选它们的互作蛋白来寻找可能参与这一过程的其它调节因子并进行相关验证，然后对这些相互作用的生物学意义进行研究，以期加深对该调控网络的了解。同时，本课题的部分成果也可能对AtTRN1和KAK参与的其它生物学途径的研究提供帮助。

TRANSPORTIN 1（TRN1）是拟南芥Importin β家族17个成员之一,其酵母及哺乳动物细胞中同源蛋白的主要功能是对目的蛋白的入核转运，从而影响了众多生物学过程。通过本项目的研究，我们发现TRN1缺失突变体trn1-3顶端分生组织（SAM）及根尖分生组织（RAM）发育异常，SAM较小，根较短等，表明TRN1对维持植株正常发育十分重要。进一步的研究发现顶端分生组织一些标识基因表达量和时空特异性都发生了一定程度的改变,表明在植物生长发育过程中，TRN1通过影响WUS、CLV3、PLT1、PLT2以及SHR、CYCB等基因的表达，进而影响了植物顶端分生组织的发育。本项目的研究还发现TRN1通过调控细胞分裂素信号通路中ARRs响应因子和调控生长素运输相关基因的表达，影响植物对细胞分裂素和生长素的响应。此外TRN1还可以与多种蛋白相互作用，最终影响了多种生物学过程。因此，我们认为TRN1在拟南芥中作为核质转运蛋白，通过影响一系列底物蛋白的转运，参与多个生物学过程，同时为我们接下来寻找TRN1的底物创造了条件。为了筛选AtTRN1的互作底物蛋白，我们利用酵母双杂交技术对拟南芥蛋白的酵母文库进行了筛选，初步得到了一些候选底物。. 通过相关生理学和分子生物学等方面的分析，我们发现TRN1的相关突变体在胁迫条件下的生理变化情况与野生型相比存在明显的差异。酵母双杂交实验验证了参与干旱相应相关的蛋白如PR4、Di19、RD2与TRN1具有相互作用，干旱复水实验也表明trn1-3表现出较为显著的耐旱表型，而且trn1-3突变体中CPK11、Di19、PR1、PR2、PR3、PR4和PR5等参与干旱胁迫响应基因的表达水平表现出显著的变化。相比较WT，在trn1-3突变体中气孔发育调控基因MPK6、MPK3、YDA和TMM的表达水平呈现不同程度的升高，由此我们推测TRN1可能通过负向调控MPK6、MPK3、YDA和TMM的表达来影响气孔发育。同时，研究发现trn1-3突变体的气孔密度显著低于WT；此外trn1-3突变体在ABA处理后气孔开度减小。这些结果表明trn1-3突变体具有抗旱性的直接原因可能是其气孔密度和气孔指数发生了变化。本研究对于认识TRN1的功能，尤其是在调控SAM活性和参与干旱胁迫的作用，奠定了坚实的基础。