植物细胞Ca信号转导途径关键蛋白的鉴定和功能研究

It is well studied of the molecular mechansim of Ca-mediated signaling transduction pathways in animal cells. It is largely unknown of the molecular mechanism underlying Ca uptake, sensing and utilization of Ca in plant cells.Our published article in 2015 demonstrates that Arabidospis root cells have similar receptor-mediated Ca sensing and uptake mechnism as those in animals. In the past three years, through forward genetics, we isolated three single-gene low Ca sensitive mutants. Map-based positional cloning identified one of the mutants having mutation in a gene encoding a protein similar to RECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS8 in animal cells. Based on further experiments, we hypothesize that the plant RME8 interacts with HSP70,SORTING NEXIN1 and MYOTUBULARIN-LIKE PHOSPHATASE2. It further controls the epidermal growth factor receptor VSR1-mediated endocytosis which is one of essential cellular pathways conferring the Ca essentiality. With molecular and cellular approaches, we intend to uncover key Ca-mediated signaling transduction pathways with our self-owned genetic materials.

Ca调节动物细胞信号转导途径的分子机理、已经研究的非常深入。植物细胞吸收、感应和利用Ca的分子机制基本未知。本课题组2015年已发表论文证明模式植物拟南芥根具有受体调节的、感应和吸收细胞外Ca2+的机制。过去三年，通过正向遗传筛选的方法，鉴定到三个由单个隐性基因控制的低钙敏感突变体，图位克隆确定其中一个突变基因编码蛋白同动物细胞中的RECEPTOR-MEDIATED ENDOCYTOSIS8（RME8）同源。基于进一步的实验结果和分析，我们假设，植物中的RME8同HSP70热激蛋白、SORTING NEXIN1、MYOTUBULARIN-LIKE PHOSPHATASE2互作，调节植物中表皮生长因子受体蛋白VSR1 控制的胞吞过程，这是植物细胞感应和吸收Ca的一条核心细胞学途径。本项目拟结合分子和细胞生物学技术，以自主材料为基础，深入探索植物细胞Ca参与的细胞信号转导关键途径。

Ca是植物生长发育的必需矿质元素。Ca含量，仅次于氮和钾，是植物体内第三大矿质元素。世界范围内，表层土壤Ca含量逐年下降。植物Ca营养不仅直接调控植物对逆境的适应能力，而且影响食用植物的家畜和人体的钙营养。项目的核心目的是发现调节植物吸收Ca2+的核心蛋白，阐明植物适应低Ca环境的细胞学机制和鉴定调控植物生长的重要Ca结合蛋白。（1）在建立遗传材料的基础上，证明RME8和VSR1两个蛋白通过调节细胞胞吞和内膜系统动态变化，支持植物细胞对低Ca环境的适应。同时，在低Ca环境下，非受体调节的、基于液态流的胞吞活动增强，同时植物细胞质膜的38种磷脂酰胆碱（PC）和49种磷脂酰乙醇胺（PE）含量，以及PC/PE的相对比例显著升高，但是磷脂酸（PA）和甘油二酯含量显著降低;（2）在建立植物活体细胞外Ca2+成像技术体系基础上，发现环腺苷酸调控的阳离子通道CNGC2,在叶子维管束周边叶肉细胞表达，蛋白位于细胞质膜，负责介导Ca2+进入细胞质。位于液泡膜的Ca2+/H+反向转运蛋白CAX1，CAX3，负责介导细胞质Ca2+向液泡内积累；（3）在植物体内鉴定到结构特殊的钙调素蛋白PsCML1，在体外具有结合Ca2+的特性，位于内质网，是植物根生长发育的正调控因子。项目在Plant Physiology发表论文1篇，J.of Plant Physiology发表论文2篇。“植物钙离子信号转导和转运分子机制”成果2018年获得内蒙古自治区自然科学一等奖（排名第一）。