拟南芥核质转运受体importin调控逆境信号与抗性机理研究

核质转运参与了细胞内几乎所有的生命活动过程，众多的信号转导途径均依赖于核质间信号分子或调控组分的定向运输。核质转运在真核细胞中主要通过importin蛋白家族完成。在模式植物拟南芥中有8个importin α 和18个importin β，作为受体它们参与调控了拟南芥细胞绝大多数的核质转运。目前为止，即使在模式生物拟南芥中，人们对于由importin所介导的核质转运的认识仍处于初始阶段，本研究通过系统全面地分析拟南芥基因组中所有importin成员的组织表达模式；各种环境因子及激素对importin表达水平的调节；importin成员运输底物的差异及特异性；分析importin成员突变体对各种非生物胁迫的响应等，阐明拟南芥中由importin家族成员所介导的核质转运机理、模式以及其在各种逆境信号转导途径及抗性中的功能和作用方式，为植物的遗传改良提供全新的理论依据和应用工具。

真核生物细胞核与细胞质之间的交流对维持生命体正常的代谢、信号转导等过程至关重要，而核质转运过程主要是由importin家族成员完成的。但目前人们对每个importin成员参与转运的底物种类、介导的信号通路、调控机理等方面仍知之甚少。本课题系统首先分析了拟南芥基因组中所有26个importin成员（8个IMPα，18个IMPβ）的表达特征。实验结果显示绝大部分importin成员在各种组织中均有表达，且不受非生物胁迫或激素的诱导，表明importin对维持正常的生命活动是必需的。为进一步研究importin在逆境信号转导及抗性中的功能和作用机制，我们分别检测了各importin成员T-DNA插入突变体、超标达株系及RNAi株系对各种非生物胁迫的响应情况。结果显示单个 importin基因的缺失或者过表达一般不会明显影响植株对非生物胁迫的抗性，表明importin家族成员之间存在高度的功能冗余。多突变体功能分析发现，IMPα1与IMPα2同时缺失会明显影响植株的形态结构和生长发育，例如株型变小、叶片卷曲、迟花等。此外，impα1impα2双突变体对外源ABA的敏感性明显增强，进一步分析表明impα1impα2双突变体内ABA信号转导通路被过度激活是双突变体对外源ABA敏感的根本原因。此外，IMPα1与IMPα2均能互补酵母importinα突变株（srp1-31）。酵母双杂交与荧光互补实验均证明IMPα1与IMPα2能够特异性地与IMPβ1相互作用，表明功能高度冗余的IMPα1和IMPα2分别通过与IMPβ1互作，调控ABA信号转导相关蛋白的核质转运过程。IMPβ11单突变体研究表明，IMPβ11对拟南芥的生长发育是至关重要的，IMPβ11 knockout突变体生长发育迟缓，且不能完成生活史，表明IMPβ11负责转运的靶蛋白具有重要生物功能。IMPβ1单突变体对ABA、NaCl、甘露醇的敏感性增强，同时表现出更强的干旱抗性，而IMPβ1超标达株系的干旱耐受力则明显下降，表明IMPβ1负责转运的靶蛋白在调控拟南芥干旱抗性方面具有重要功能。本课题圆满完成了各项研究任务，研究结果加深了人们对核质转运受体importin表达特征及作用机理的认识，并为今后通过调控核质转运过程改良植物的抗逆性提供了理论依据。