拟南芥SUMO E3连接酶SR1在调控主根发育中的功能分析

近年来，研究发现SUMO化修饰参与了广泛的细胞内代谢途径，在蛋白-蛋白之间的相互作用、信号转导，核质运输及转录调控等方面均发挥重要的作用，但大多数研究源于哺乳动物和酵母，而关于植物中SUMO化修饰的功能尚处于初步阶段。本实验室通过生物信息学分析发现到一个新的SUMO E3连接酶SR1，初步研究发现SR1在拟南芥的主根发育过程中具有重要作用。本项目主要围绕SR1如何调控拟南芥主根生长发育这一科学问题，利用细胞生物学、分子生物学、遗传学及生物化学方法和技术，分析SR1的SUMO E3连接酶活性，解析SR1在拟南芥主根生长发育中的功能，并分离和鉴定SR1的相互作用的靶蛋白。初步阐明SR1调控主根生长发育的分子机制，将为深入研究SUMO化修饰在植物主根生长发育中的作用奠定良好的基础。

拟南芥SR1（更名为AtMMS21）主要在根组织中表达，其T-DNA插入突变体mms21-1具有主根短的表型，研究表明mms21-1根尖顶端分生组织的细胞层次表现正常，与WT无差异，但是根分生组织的细胞增殖能力明显减弱。分生区的长度和细胞数量明显比WT的减少，mms21-1根尖分生区的长度约为WT的40%，细胞数量约为WT的46%，而伸长区细胞数量约为WT的25%；并且发现细胞分化的标志基因CYCB1在mms21-1主根细胞中的表达明显下降。mms21-1主根对外源细胞分裂素敏感性降低，相对于野生型，细胞分裂素诱导相关基因中的ARR3，ARR4，ARR5和ARR7在突变体中的表达也明显降低。AtMMS21蛋白定位在细胞核和细胞质。通过酵母双杂交实验及BiFC实验证实AtMMS21与SUMO E2 结合酶AtSCE1a相互作用，因而推测AtMMS21可能是一种SUMO E3连接酶。.突变AtMMS21导致根尖分生组织的细胞分裂和细胞分化模式发生改变，说明AtMMS21是根尖分生组织的结构与功能维持正常所必需的， AtMMS21功能缺失引起了缺陷的QC特化以及失常的干细胞。由于拟南芥根尖干细胞微环境是由QC及其周围的干细胞组成的，所以mms21-1突变体显示出结构混乱的根尖干细胞微环境。此外，mms21-1胚胎中胚根原的后代细胞出现异常分裂，导致根尖干细胞微环境起始的位置——胚胎基极，发生结构错乱。因此，无论是胚胎发育时期还是胚后生长时期，AtMMS21在干细胞微环境的维持中都起到着关键的作用。根尖干细胞微环境由多能转录因子所调控：在mms21-1根尖，SHR和SCR的正常空间表达模式出现部分缺失进而呈现不连续的表达模式；WOX5和SCR发生异位表达从而呈现相邻细胞也表达GFP的模式；PLT1和PLT2在蛋白水平发生严重下调进而呈现表达/积累减少的模式。这些结果表明，AtMMS21是调节多能性转录因子在根尖干细胞微环境中稳定表达所必需的。.mms21-1突变体的花药和花粉粒的大小呈现多样化，大约有30.0%的花粉粒没有活性，这些花粉粒体积比较大或者出现皱缩，而野生型出现的异常花粉比例小于1.9%。 体外花粉萌发和花粉管生长检测也显示MMS21对花粉的萌发和花粉管的伸长都有明显的影响；杂交实验显示MMS21对雌蕊的影响比较小，而对花粉生长发育中的影响更明显；通过花药的