拟南芥MPK6调控过氧化物酶体自噬的分子机理研究

Plant peroxisomes are crucial organelles for fatty acid beta-oxidation, scavenging of reactive oxygen species, glyoxylate cycle, photorespiration and etc. To sustain normal plant growth and development and to adapt to various environment stresses, oxidative damaged or redundant peroxisomes need to be removed immediately. It has been reported that peroxisome homeostasis is maintained by pexophagy, a selective autophagy in plants. However, it is remained elusive how the plant pexophagy pathway is activated or regulated. Our preliminary data showed that, similar to atg7 mutant, peroxisomal membrane and matrix proteins, Pex14 and catalase, were accumulated in mpk6 mutant, respectively. Furthermore, peroxisomes formed aggregates in Arabidopsis mpk6 mutant. Based on these results, we propose to investigate whether H2O2 could serve as a signaling molecule to activate pexophagy at molecular and cellular levels. Furthermore, we will dissect the molecular mechanisms underlying the regulation of pexophagy by MPK6 and its upstream components. This project will provide important information on the functions of MAPK pathway in pexophagy and pave the road toward understanding how plant growth and development are sustained and adapted to various environment stresses by maintaining peroxisome homeostasis.

植物过氧化物酶体在脂肪酸的β氧化、自由基的清除、乙醛酸循环、光呼吸等生物过程中起着至关重要的作用。及时地清除受损或冗余的过氧化物酶体才能保证植物的正常生长发育以及适应各种胁迫环境。最近的研究表明，植物通过过氧化物酶体自噬维持过氧化物酶体的稳态，然而该途径如何被激活以及如何调控，迄今未见相关的报道。我们的前期研究发现，与atg7突变体类似，拟南芥mpk6突变体中过氧化氢酶与Pex14等过氧化物酶体蛋白累积，而且细胞中存在聚集的过氧化物酶体；表明MPK6可能参与调控过氧化物酶体自噬。本课题拟在前期工作的基础之上，从分子和细胞水平上探讨H2O2是否为激活过氧化物酶体自噬的信号分子，揭示MPK6及其上游蛋白构成的级联信号通路如何介导过氧化物酶体自噬，从而阐明MAPK级联信号通路在植物生长发育与逆境胁迫过程中维持细胞内过氧化物酶体稳态的作用机理。

植物正常生长和胁迫应答过程中易导致过氧化物酶体冗余或损伤，过氧化物酶体自噬是降解清除过氧化物酶体的重要途径，对于维持细胞氧化还原平衡状态中具有非常重要作用。然而，植物中过氧化物酶体自噬的分子调控机制还不清楚。本项目研究结果显示，拟南芥mpk6突变体中过氧化物酶体相关蛋白特异性积累、过氧化氢酶失活聚集以及过氧化物酶体聚集成簇，并且mpk6 lon2双突变体表现出与atg lon2双突变体类似的表型，说明MPK6可能特异性参与过氧化物酶体自噬。叶绿体产生的H2O2能够通过OXI1-MKK-MPK6途径传递信号，本项目通过转录组分析也发现OXI1基因在cat1/2/3三突变体中被上调的程度明显高于cat2/3双突变体中，说明过氧化物酶体产生的H2O2能够激活OXI1且呈现浓度依赖。然而，MPK6基因的表达在cat1/2/3三突变体与在野生型中没有明显变化，且cat1/2/3三突变体和野生型中磷酸化的MPK6没有区别，说明过氧化物酶体产生的H2O2可能并不通过OXI1-MPK6途径传递。此外，H2O2是否为调控过氧化物酶体自噬的信号分子以及调控过氧化物酶体自噬的信号途径还有待进一步研究。