资源植物发菜ORF5811蛋白在光形态建成中的功能研究

The multicellular cyanobacterium Nostoc flagelliforme Berk. et M. A. Curtis is one of wild plants under the first-grade state protection in China. Due to the complicated morphological structure, the artificial cultivation of N. flagelliforme has not been succeeded to date. It has been reported that ultraviolet-B radiation (UV-B, 280-315 nm) is a key environmental signal that could specifically mediate photomorphogenic responses in higher plants and cyanobacteria. However, it is still not clear how cyanobacteria perceive UV-B signal in their habitats. With the support of our last NSFC grant, we investigated the transcriptional regulation of UV-B on the MAAs synthesis in N. flagelliforme, and one transcription factor ORF4233 was identified. Furthermore, using ORF4233 as the bait protein, we identified ORF5811 protein by the co-precipitation assay. The ORF5811 protein contains one histidine kinase domain, and one special domain of light signal response. In this project, we will focus on the photobiological characteristics of ORF5811 and its high resolution crystal structure, which will provide more information to understand the mechanism of photoreception. In addition, we aim to illuminate the signal transduction pathway of ORF5811-mediated photomorphogenesis by identifying those downstream components of ORF5811 signalling, and by characterizing the autophosphorylation and phosphotransfer of ORF5811. Finally, we will knock out ORF5811 and some key components of ORF5811 downstream, and compare their phenotypes with the wild type to clarify the function of ORF5811 protein in the photomorphogenesis of N. flagelliforme. Our results will enrich the knowledge on UV-B-induced photomorphogenesis of cyanobacteria, which will provide more useful information for the artificial cultivation of N. flagelliforme and promote the protection and utilization of N. flagelliforme in China.

发菜是我国一级保护野生植物，也是一种形态结构较复杂的多细胞蓝藻，长期以来其人工培养研究一直没有取得理想进展。UV-B是重要的环境信号，可特异地介导植物的光形态建成反应，但是目前仍不清楚蓝藻如何感知环境中的UV-B信号。前期，我们在研究UV-B对发菜光保护物质MAAs合成的转录调控过程中，通过鉴定调控MAAs合成的转录因子，并将其作为诱饵筛选到一个相互作用蛋白ORF5811，该蛋白含有响应光信号的特异结构域和激酶结构域。我们拟在此基础上，研究ORF5811蛋白的光生物学和结构生物学特性，揭示其感光分子机理；通过分析下游信号组分和磷酸化作用，探讨该蛋白介导光形态建成的信号转导途径；进一步通过遗传操作和突变株表型分析，阐明该蛋白在发菜光形态建成过程中的生物学功能。本项目将深化人们对UV-B介导的蓝藻光形态建成机制的认识，为研究发菜的人工培养技术提供理论基础，从而有效促进我国发菜资源的保护和利用。

发菜是我国一级保护野生植物，也是一种形态结构较复杂的多细胞蓝藻，主要生长在干旱、半干旱的荒漠地区，对干旱、紫外线等逆境具有极强的耐受能力。RF5811蛋白具有光受体的结构特征，含有GAF结构域、PAS结构域和组氨酸激酶结构域，可能通过下游的转录因子调控胶质鞘重要组分MAAs、伪枝藻素和酸性WspA的生物合成，从而影响低等植物发菜的光形态建成。本项目以发菜作为实验材料，研究了GAF结构域光受体蛋白的光生物学特性，分析了光受体蛋白的结构生物学特征并解析了OCPx蛋白的晶体结构，深入探讨了光受体蛋白调控发菜紫外吸收物质合成的信号转导途径。新发现一种抗紫外次生代谢物，阐明了该物质的合成路径与合成调控机制，发现环磷酸腺苷在紫外诱导发菜合成伪枝藻素过程中的关键作用。同时，项目组建立了发菜的遗传操作体系，构建了发菜转录因子文库，并将发菜发展成为研究荒漠蓝藻的模式材料，深入揭示了发菜对极端干旱和强紫外辐射生境的适应机制。本项目将深化人们对紫外介导的蓝藻光形态建成机制的认识，为研究发菜的人工培养技术提供理论基础，从而有效促进我国野生发菜资源的保护和利用。依托该项目，课题组在Plant Physiology （2020, 182: 1991-2005, 第一标注）、Environmental Microbiology （2018, 20: 200-213, 第一标注；2019, 21: 845-863, 第一标注；2019, 21: 1497-1510, 第二标注；2019, 21: 2261-2272, 第一标注；2020, 22: 183-197, 第一标注；2021, 23: 376–390, 第二标注）、Photosynthesis Research（2019, 140: 103-113, 第一标注）和Journal of Bacteriology （2018, 200: e00436-18, 第一标注）等学术期刊发表研究论文9篇，课题负责人在国内和国际学术会议作特邀报告或分组报告11次，培养博士6名、硕士3人，招收博士后研究人员2名，两名项目主要参与人员在项目执行期晋升为副教授，课题负责人入选2019年湖北省有突出贡献的中青年专家。