L-Ser代谢的遗传操作及其影响植物生长发育的分子机制研究

L-serine is a basic amino acid, which can be synthesized in plant, and should be kept at an adequate level for normal growth and development. However, elevation of the level of L-Ser in the cell was found to be able to affect the growth of main root and promote the development of lateral ones, to cause the senescence and death of leaves, and even to play significant roles in resistance under stress. Therefore, regulation of endogenous L-Ser level is very important for the normal growth and development, and the adaptation of plant to the changes in environmental conditions, and the molecular mechanism underlying should be extensively studied. In this research, we will manipulate the expression of SHMT4, SHMT5, SGAT, PGDH, PSAT and PSP in Arabidopsis, all of which are important enzymes involved in L-serine metabolism, in order to uncover their roles in the regulation of their correlated metabolism. Using the transgenic plant lines obtained by genetic transformation and selection, phytohormone response report lines and mutant lines reported formerly, and with the treatment of exogenous L-serine, we will further analyze the cross-talk between L-serine and phytohormones, such as auxin, ethylene and abscisic acid, in the regulation of root development. We will also investigate the changes in reactive oxygen species (ROS) and the related metabolic enzymes, and in proteinases including their gene expression and enzyme activities, during leaf senescence induced by L-serine. Our research results will definitely contribute to the understanding of the mechanism of L-Ser functions.

L-Ser是植物赖以生存的基本氨基酸，植物能够自己合成以满足各种代谢需要；然而L-Ser含量的升高也会导致主根生长受阻，同时促进侧根发育，引起叶片衰老、死亡，而且可能还与植物的抗性相关。很显然，内源L-Ser水平的调控对于植物的正常生长发育和其对环境条件变化的适应非常必要,相关机制的研究也因此具有重要的科学意义。本研究针对拟南芥中L-Ser代谢相关的重要酶SHMT4、SHMT5、SGAT、PGDH、PSAT和PSP编码基因的表达进行遗传操作和启动子进行表达分析，以了解它们在L-Ser代谢调控中的作用；利用这些获得的转基因材料和一些已报道的植物激素响应报告株系及信号途径突变体，将进一步结合外源L-丝氨酸的处理实验，探索L-Ser在调节根发育方面与植物激素间的相互作用，研究L-Ser水平升高后引起叶片衰老与活性氧产生及相关代谢酶间的关系，对蛋白酶表达和活性的调节，以揭示丝氨酸作用的分子机制。

根据项目研究计划，我们对拟南芥合成L-Ser的两条代谢途径进行了遗传操作，一条是光呼吸途径（photorespiratory pathway），另一条是磷酸丝氨酸途径（Phosphorelated Pathway of Serine Biosynthesis， PPSB）。光呼吸途径中丝氨酸：乙醛酸氨基转移酶（SGAT）催化L-Ser转化为羟基丙酮酸，我们对其编码基因AtAGT1进行了过表达和敲减表达，并结合其在浮萍中的过表达，研究了基因操作后对几种相关氨基酸代谢、根发育、叶片衰老、活性氧变化（ROS）以及抗盐性和抗病性等的影响。对PPSB途径的三个酶（PGDH、PSAT和PSP）编码基因进行了过表达，以及PSP编码基因PSP1进行了叶片特异性过表达和敲减表达，并进而研究了该途径在地上部中的作用和对光呼吸途径的调节作用。同时，我们还以拟南芥根的生长和发育为对象，研究了L-Ser影响根生长与生长素和活性氧的关系。项目取得了以下主要研究成果：1. 证明AtAGT1不仅在光呼吸途径中不可缺少，而且在非光合组织如根中也有重要作用；2. 发现无论在根中还是在地上部过表达AtAGT1都能够提高转基因植物的抗盐性和抗旱性，而其敲减表达则能导致植株生长较差，叶片上出现坏死斑点，以及抗病性降低；3. 表明PPSB途径在叶片中可以和光呼吸途径构成大的代谢网络，通过丝氨酸和谷氨酸将能量代谢和氮代谢联系在一起，进而影响植物的生长发育；4. 揭示了根中丝氨酸浓度升高后抑制主根的生长、同时促进侧根的发育与根中ROS的变化直接相关，并且涉及到生长素的信号转导，另外ROS的积累导致根部与茎的结合部局部细胞的死亡；5. 初步研究结果显示，内源丝氨酸含量的变化能够影响叶片中蔗糖的变化和信号，并进而影响生物钟基因的表达；6.在拟南芥叶绿体中引入一条乙醇酸代谢支路，导致转基因株系抗盐性降低；7.分别获得了在拟南芥叶绿体中过表达和敲减表达乙醛酸还原酶（GR）的转基因拟南芥，为研究叶绿体中是否存在乙醇酸循环奠定了基础；8.首次报道了L-Ser能够促进浮萍愈伤组织再生成植株，并申请了有关发明专利。