用功能磷酸化蛋白组学方法研究乙烯调控的拟南芥茎的反向地性运动

Gravitropism is a fundamental plant response to gravity. Ethylene, a plant hormone, is known to have a regulatory effect on negative gravitropic response of plant and promotes plants to maintain original vertical growth positions. However, the effects of ethylene on shoot negative gravitropic shows very complex but interesting phenomenon.Both the inhibitory and the stimulatory effects of ethylene have been found in regulation of shoot negative gravitropism. Even in the same Arabidopsis plant, ethylene inhibits negative gravitropism of hypocotyls yet stimulates its inflorescence stem gravitropic response. Thus, ethylene should further complicate the already complex signaling pathways of gravity-sensing and shoot negative gravitropism. In this proposed study, functional and quantitative phosphoproteomics methods will be employed to study transduction of phosphorylation signal in ethylene-modulated regulation, to discover phosphorylation sites, and to reveal phosphorylation and de-phosphorylation interactions in ethylene signaling pathways. This proposed research is to provide information on the molecular mechanisms underlying dynamic interplays between the internal hormone ethylene and external gravity signal transduction in regulation of shoot negative gravitropic response and to delineate the multiple ethylene signaling pathways as well as the cross-talks between ethylene and gravity signaling. The outcome of this research will contribute to the development of a model system for molecular systems biology study and could be applied to the improvement of crop productivity to feed billions of people worldwide.

植物向地性是植物对重力场作用的基本响应。而植物荷尔蒙乙烯能够调控植物茎的反向地性，促进植株保持垂直生长位置。但乙烯对植物反向地性的调节是个复杂而有趣的过程。乙烯能促进一些植物茎的反向地性弯曲，而又能抑制另一些植物的反向地性运动。即使在同一种植物中，乙烯即抑制拟南芥下胚轴的反向地性，也促进其花序茎的反向地性。而且光也参与乙烯对植物反向地性的调节过程并起着重要作用。我们认为乙烯在调节植物的反向地性弯曲和重力感应中具有复杂的信号通路网络。本研究拟利用功能定量磷酸化蛋白组学的方法，研究乙烯在这一复杂过程中的调控模式，磷酸化信号的传递过程，找到蛋白磷酸化位点及进一步诠释乙烯信号通路中磷酸化和去磷酸化的调控机理。寻找内源激素乙烯和重力感应信号在调节植物生长和重力响应方面的基本原理和分子机理，并阐明重力信号和乙烯信号传导间的相互作用，建立一个分子系统生物学的模型，为改良农作物提高农作物产量提供理论依据。

乙烯能够调控植物的的负向地性，促进植株回到原来的垂直生长位置。乙烯对植物地上部分反向地性运动的调节是一个复杂而有趣的现象。对有些植物乙烯能够促进其反向地性，而且在另一些植物中则抑制反向地性。即使在同一种植物组织中，乙烯即抑制了拟南芥花絮莖的反向地性运动，同时促进了拟南芥花序茎的反向地性运动。乙烯通过复杂的信号通路调控重力感受。本项目利用功能和数量磷酸化蛋白组学的方法初步地研究了乙烯调控地重力信号传导是如何通过磷酸化传递的。找到了重力方向改变诱导的磷酸蛋白位点及进一步诠释其信号通路中磷酸化和去磷酸化调控机理。也研究了乙烯信号调控的磷酸化信号的传递过程，找到乙烯调控的蛋白磷酸化位点及进一步诠释了乙烯信号通路中磷酸化和去磷酸化的调控机理。研究了乙烯信号在植物内如何通过在调节植物生长和重力响应方面的基本原理和分子机制，并且初步阐明了重力信号和乙烯信号之间的相互作用信号转导组件。 我们确认和证明了一些磷酸蛋白质，比如说PIP2A；1/2 和 PHOT1/2，在重力和乙烯信号转导过程中的作用与功能，并能追溯到上游激酶如PHOT1/2。这些结果对诠释整个重力信号传导以及乙烯是如何相互作用，调控重力信号转导具有重要的启示。并建立了乙烯调控PIP2A水通道的分子模型。这些研究结果为地球上或外太空长农作物和改良，增产提供了可能的理论依据。