线粒体自噬在神经酰胺介导的细胞死亡及植物抗性反应中的功能研究

Ceramide kinase phosphorylates ceramide and directly regulates sphingolipid levels. However, the studies on the function of ceramide kinase in plants is obscure. In Arabidopsis thaliana the Accelerated Cell Death mutant acd5 display spontaneous programmed cell death. Our previous study implicates that ACD5 regulates the cell death and plant defense response, and this process is related with mitochondria. But, its molecular mechanism is still poorly understood. In this study, we propose to study 1) The function of ceramide in mitochondria; 2) Screen transgenic plants acd5/m-ACD5, specifically expressing ACD5 in mitochondria of acd5 mutant, and measure the sphingolipid profile and occurrence of mitophagy in acd5/m-ACD5 transgenic plants; 3) Evaluate the regulation of mitophagy during cell death and plant defense response by sphingolipids. This study will help us to unravel the molecular mechanisms on how ACD5 contributes to plant immune response, and also provide a theoretical basis for the effective utilization of ACD5 in plant disease resistance.

神经酰胺激酶ACD5能将神经酰胺磷酸化，直接调控鞘脂水平。然而，ACD5的功能研究还十分匮乏。前期实验表明，ACD5具有调控植物程序性细胞死亡和抗病性的作用，该过程与线粒体有关。但其调控的分子机制还不清楚。本项目拟在前期工作的基础上，深入研究1）植物中神经酰胺在线粒体上的功能；2）构建ACD5特异表达在acd5线粒体上的稳转植株并检测该植株线粒体的鞘脂水平和自噬情况；3）评价线粒体自噬对鞘脂调控的细胞死亡和植物抗性反应的影响。该研究将有助于揭示ACD5参与植物免疫应答及调控的分子机制，为该蛋白在植物抗病中的有效利用提供理论依据。

神经酰胺是鞘脂代谢途径的中心分子，不仅作为生物膜的重要结构成分，也作为生物活性分子参与细胞内多种信号途径的调控。本项目主要研究并获得以下重要结果：. 1）线粒体定位的神经酰胺是细胞死亡的关键因素。研究了神经酰胺可以定位至细胞内线粒体并通过诱导细胞自噬参与调控细胞死亡过程（submitted）。. 2）神经酰胺是鞘脂代谢的中心分子，我们发现神经酰胺可以诱导水稻原生质体发生细胞死亡，进一步研究发现神经酰胺处理水稻细胞可诱导细胞内钙离子含量和caspase-3蛋白酶活性发生显著变化，表明钙离子和caspase-3蛋白酶在神经酰胺诱导的水稻细胞死亡过程中发挥了重要作用。结果发表在Frontiers in Plant Science上（Zhang et al., 2020）。. 3）鉴定了一种新的潜在植物激活剂 PPA2。PPA2完全溶于水，不影响水稻的生长和根系发育，但是PPA2预处理可显著提高了拟南芥和水稻对细菌的抗性。PPA2还可显著提高水稻细胞内JA-Ile和OPDA的含量，并促进水稻体内有机酸，糖类，氨基酸的合成。结果发表在International Journal of Molecular Sciences（Li et al., 2020）。. 本项目揭示了植物中神经酰胺与线粒体自噬的关系；明确线粒体自噬在鞘脂介导的细胞死亡过程中的作用；挖掘了鞘脂物质的下游作用靶标；同时也为寻找新的抗性基因资源提供理论依据。