马铃薯AGP基因控制块茎发育的分子机理研究

Potato (Solanum tuberosum) is the fourth crop in China, and studies on molecular mechanism of tuber development have important theoretical significance for understanding the mechanism of potato yield. Arabinogalactan proteins (AGPs) are a kind of hydroxyproline-rich glycoproteins that widely distributed in higher plants and implicated in regulating stem elongation and branching. A variety of evidences indicated that AGP genes might be involved in controlling potato tuber development. In this study, a total of 116 StAGP genes of potato was identified by using bioinformatics methods, and 15 StAGP genes that specifically or dominantly expressed in stolon and tuber were screened out based on high-throughput expression analyses. Moreover, multiple techniques of molecular biology and biochemistry will be utilized to investigate the biological functions of 2-3 StAGP genes, including gene expression pattern, protein subcellular localization, over-expression, gene silencing, gene editing, protein purification, and so on. For discovering the molecular mechanism of StAGP genes in controlling tuber development and building a regulatory network of StAGP genes in phytohormone-related signal transduction, our study will have important theoretical significance and potential application value.

马铃薯是我国第四大粮食作物，开展块茎发育的分子机理研究对于理解马铃薯产量控制机制具有重要理论意义。阿拉伯半乳糖蛋白（AGPs）是一类存在于高等植物中的羟脯氨酸富集糖蛋白，在茎的伸长和分支中起着调控作用。多种证据表明，马铃薯AGP基因可能参与控制块茎的形成和发育。本项目首先利用生物信息学方法从马铃薯基因组中鉴定获得116个StAGP基因，通过高通量表达分析筛选得到15个在匍匐茎和块茎中特异或高丰度表达的StAGP基因；拟采用基因表达模式分析、蛋白亚细胞定位、过量表达、基因沉默、基因编辑和蛋白纯化等多种分子生物学和生物化学手段，研究2-3个StAGP基因在块茎发育过程中的生物学功能；揭示StAGP基因控制块茎发育的分子生物学机理，建立StAGP基因参与激素信号传递的调控网络，探索StAGP糖生物学特征与蛋白功能之间的关联。本项目关于马铃薯块茎发育的分子机理研究将具有重要理论意义和潜在应用价值。

阿拉伯半乳糖蛋白（Arabinogalactan proteins，AGPs）是与植物生长和发育有关的细胞外糖蛋白。随着越来越多的植物被基因组测序，可以预测AGP基因家族成员来促进其功能的研究。基于先前鉴定拟南芥AGP的研究，一种系统地检测“经典”和“嵌合”AGP基因家族的策略被提出。本研究完成了一个名为Finding-AGP的Python脚本，可以通过给定的参数用来鉴定类AGP序列和筛选候选AGP。信号肽的存在与否主要用来鉴定经典AGP、赖氨酸富集AGP、AGP-Extensin杂合蛋白和非经典AGP。BLAST用来检测类成束蛋白AGP、类植物蓝素AGP和类木质形成素AGP。糖模块指数和PAST（脯氨酸，Pro；丙氨酸，Ala；丝氨酸，Ser；苏氨酸，Thr）局部含量也用来鉴定候选AGP。本研究发明了一套系统的方法来鉴定47个植物物种中的AGP，结果主要分为以下几个方面： （i）被子植物中有大量的AGP，并且莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中有很多富含丝氨酸-脯氨酸的“古典”AGP；（ii）经典AGP、AG多肽和赖氨酸富集AGP分别首先出现在小立碗藓（Physcomitrella patens）、卷柏（Selaginella moellendorffii）和云杉（Picea abies）中；（iii）新鉴定出了嵌合AGP的9个亚家族，它们与类成束蛋白AGP、类植物蓝素AGP和类木质形成素AGP类似；（iv）不同AGP的赖氨酸富集区域的长度和氨基酸组成有很大的区别，表明在进化过程中出现了插入或删除。此研究不仅为鉴定AGP基因家族提供了一种有效的方法，而且也为AGP保护植物细胞壁和从细胞外传导信号至细胞质提供了解释。