细胞自噬在玉米胚乳发育过程中的作用及调控机制的研究

Autophagy is a highly conserved degradation process in eukaryotes whereby cytoplasmic material is sequestered in vesicles and delivered to lysosome or the vacuole for breakdown. Autophagy plays crucial roles in nutrient recycling and cell homeostasis during plant growth and development, but its role still remains unclear in maize endosperm development. Our prior work has found increased autophagic activity in peripheral endosperm and elevated transcript level of most of autophagy-related genes during maize endosperm development. Abnormal cellular metabolism has also been detected in the endosperm of maize autophagy mutants through metabolomic analysis. The objectives of this proposal are to: (i) study the role of autophagy in cellular metabolism during maize endosperm development by combining atg mutants with cell biological, metabolomics, and transcriptomic analyses; (ii) define the regulators that transcriptionally adjust autophagy machinery synthesis in maize endosperm. Collectively, this work will provide the first systems view of the role of autophagy in endosperm development of crop.

细胞自噬(autophagy)是真核生物中一种由液泡或溶酶体介导的，对细胞内物质进行降解的重要途径。在植物的生长和发育过程中，细胞自噬在营养物质的重新利用和细胞稳态的维持方面起着重要作用，但是它在玉米胚乳发育时的功能仍有待研究。我们近期的研究发现在玉米胚乳发育过程中，大部分自噬相关基因的转录水平显著上调，并在外周胚乳区检测到高水平的自噬活动。通过代谢组学的研究也发现自噬突变体的胚乳细胞代谢异常。在本项目中，我们将以细胞生物学、代谢组学和转录组学等分析方法深入研究玉米胚乳发育过程中自噬在细胞代谢方面的作用。我们还将通过发掘参与调控细胞自噬的转录因子来阐明它在胚乳发育时的调控机制。此项研究不但有助于阐明细胞自噬在玉米胚乳发育时的作用和加深对其调控机制的认识，而且可为提高农作物结实时的营养循环利用提供新的思路和潜在靶点。

本项目以阐明细胞自噬在玉米胚乳发育过程中的作用及调控机制为研究主线，开展了相关细胞生物学、遗传学和分子生物学的研究，取得的主要研究成果包括:. 1) 通过激光扫描共聚焦显微镜共定位分析明确了自噬囊泡在胚乳细胞中的亚细胞定位，同时通过免疫金透射电子显微镜观察，发现细胞自噬在玉米胚乳发育过程中可能起着降解内质网的作用。以YFP-ATG8a为对象，开展了蛋白共免疫沉淀研究，确定了一批可能参与胚乳发育时细胞自噬的蛋白，包括自噬相关蛋白ATG3、VPS15和ATG6，与囊泡运输相关的RAB GTPase、SNARE蛋白和ESCRT组分，以及内质网自噬降解受体RTN1。2) 通过对野生型和自噬突变体的胚乳进行转录组和代谢组的分析，发现自噬途径缺失会激发胚乳细胞的ROS响应相关基因并影响碳水化合物代谢、TCA循环和脂类代谢等代谢过程。3) 通过基因共表达网络分析，结合酵母单杂交、荧光素酶报告基因实验和凝胶迁移等手段，发掘了两个参与调控细胞自噬的转录因子。对其中一个转录因子ZmNRG2开展了进一步研究，发现该转录因子的缺失会影响自噬基因、氮吸收和转运相关基因以及氮同化相关基因的表达。总之，通过以上的研究，阐明了细胞自噬在玉米胚乳发育时的作用和加深了对其调控机制的认识，而且为提高农作物结实时的营养循环利用提供遗传材料和候选基因。在项目实施期间，培养了1名博士和2名硕士研究生，第一标注该项目发表的SCI收录论文3篇。