PARP抑制剂促进植物侧根发育的机理研究

在利用抑制剂研究拟南芥多聚ADP核糖聚合酶[Poly(ADP ribose) polymerase, PARP]的功能时，发现抑制剂3-AB处理后的植物侧根明显增多，植株也更为抗旱；使用其它PARP抑制剂也可观察到类似表型。除拟南芥外，PARP抑制剂处理的烟草、玉米和大豆也呈现类似的侧根增加的效应。进一步实验发现PARP基因确实在拟南芥苗期根部、下胚轴均有表达，3-AB抑制了植物细胞内PAR[Poly (ADP ribose)]的积累。在此项目中，我们将利用DR5::GUS等转基因株系分析PARP抑制剂在根发育过程中的作用；通过基因芯片分析抑制剂处理前后根部表达谱的变化；分析PARP突变体和过表达植株的根发育表型；采用多个生长素和脱落酸途径的突变体分析相关信号途径；并且将采用酵母双杂交手段分析与PARP相互作用的蛋白质。预期结果将有助于我们揭示PARP基因及其抑制剂在植物侧根发育中的作用。

植物根系发育是一个细胞分裂与分化高度协同的过程，目前对此过程受到哪些基因的控制仍然不太清楚。我们在研究拟南芥多聚ADP核糖聚合酶(PARP)功能的过程中，发现利用PARP抑制剂3AB抑制PARP的活性时，拟南芥根系更加发达，表现出主根伸长的同时侧根也增加的现象。多聚ADP核糖聚合酶PARP主要催化蛋白质的多聚ADP核糖化修饰，在断裂DNA存在时被激活，从而参与到DNA修复或者抗病反应过程中。PARP在植物发育过程中的作用还未见报道。通过本研究我们发现，PARP抑制剂导致侧根增加的原因是由于侧根生长更快，而不是侧根原基的增加引起；根尖2C细胞增加，而多倍体细胞减少，说明处于旺盛分裂的细胞更多，而内复制的细胞相对较少；通过根部PI染色，也发现PARP抑制剂处理过的植物根尖分生区更大，处于分裂状态的细胞数目更多；PARP1以及PARP2启动子驱动的GUS报告基因染色显示：PARP1及PARP2主要表达在根的成熟区，而根尖分生组织表达水平较低，暗示PARPs可能在抑制根分生区的细胞分裂促进细胞进入成熟区起作用。通过对细胞周期相关的基因进行检测发现，在PARP抑制剂处理的植物中，控制G1-S以及G2-M 期的细胞周期基因表达水平上调，而有丝分裂的抑制基因KRP2下调，与其表型相吻合。parp1parp2双突变体也表现出根系更发达的表型，但表型弱于PARP抑制剂处理的植物，表明PARP活性是PARPs抑制分裂的主要因素；体外及体内生化活性测定表明，3-AB确实抑制了PARP1及PARP2的活性，导致体内的PAR水平降低，体内PAR的积累可能是抑制细胞分裂的一个因素；酵母双杂交以及BiFC结果显示，PARP1与PARP2互作，在同一过程中起作用。通过该项目的研究，我们阐明了PARPs在根系发育，特别是在决定根细胞的分裂或分化中的控制作用：PARPs的活性负调控根细胞分裂而促进细胞分化的发生。通过本项目的研究我们还发现PARP抑制剂具有在生产实践上用于促根系发育的应用前景。该项目的研究成果发表了IF=5分以上论文一篇，另一篇正在投稿中，另外，得到专利授权1项。