植物多肽激素CLE19在花药早期及花粉发育过程中的功能和作用机制研究

Previous data showed that most known anther developmental-required genes have homologues that exhibited similar functions in different species, suggesting the conservation of the mechanisms that regulating the anther development and the broad spectrum of meanings to study these mechanisms in model plants. The CLE family is an important peptide hormone family that plays important role in many plant growth and developmental processes. Previous study in our group showed that the CLE19 is highly expressed in tapetum and reproductive cells. Both loss–of-function and gain-of-function mutants of CLE19 exhibited obviously defective male fertility, suggesting the CLE19 is required for anther development. In this study, we plan to screen the membrane-localized receptor of CLE19, and analyze the transcriptome and proteome of the CLE19 mutants, and together with further genetic, biochemistry, cell biology studies to demonstrate the signaling pathways and molecular mechanisms that how CLE19 regulates the normal anther development. Thus, this project will provide strong academic evidences and theoretical supports on manipulation of crop to increase the fertility and the production.

已有数据表明调控花药发育的多数信号分子在不同物种均有同源基因并且功能类似，暗示开花植物调控花药发育机制的保守性，说明在模式植物中进行花药发育机制研究具有广谱意义。胞外多肽激素CLE家族是在植物中广泛分布的信号分子家族，在很多重要生长发育过程中发挥重要功能。本课题前期研究发现，CLE19在花药绒毡层和生殖细胞中高表达，其功能缺失造成植株雄性育性降低，表明CLE19在花药发育过程中发挥重要作用。因此，本项目拟通过筛选CLE19的膜表面受体，以及对CLE19的功能缺失和过表达突变体的转录组、蛋白及磷酸化组分析，结合深入的分子遗传、生物化学和细胞生物学研究，揭示CLE19激活膜表面受体进而激活下游信号转导通路的分子机制。以期深入认识胞外配基-受体激酶复合物介导的细胞-细胞间通讯在生殖发育过程中的功能，同时为农业生产上对作物进行遗传改良、或者借助胞外小分子多肽诱导改变作物育性和产量提供重要理论指导。

CLE多肽激素是一种重要的多肽激素，目前已知在植物生长发育的多个环节发挥重要功能，但对其在植物雄性生殖发育过程中的功能一直未曾见报道。植物的生殖发育对植物的繁衍及作物的产量至关重要，因而发育过程也受到尤其精细且复杂的调控。项目负责人课题组前期研究已经阐明了调控花粉发育的前馈和正反馈环路。通过DYT1-bHLHs-MYB35前馈环，调控花药发育的关键基因，保证其进行准确的时空表达；而通过bHLHs 对上游DYT1的转录后水平的正反馈调节，使得转录激活途径能够在短时间内迅速放大而发挥功能。但是，在本项目实施之前，关于平衡正反馈放大作用的负反馈信号及通路一直不清楚。本项目的研究工作首次发现细胞外多肽激素CLE家族的7个成员在花药绒毡层和生殖细胞中表达，且功能异常导致花粉发育异常。继而，通过转录组、蛋白质组、蛋白磷酸化组、等一系列分析，结合生化和遗传研究，筛选到了CLE19的受体，并进一步阐明了植物多肽激素CLE19及其冗余成员在调控花粉外壁发育过程中的作用机制：CLE19通过激活其位于膜上的受体和共受体，将胞外信号转化为胞内信号，并最终抑制DYT1-bHLHs-MYB35反馈环路的下游基因AMS的表达，从而削弱上游正反馈环路的有害的过度放大作用，从而保障花粉外壁的正常发育和结构，保证花粉育性。这样，调控花粉发育和育性的转录网络中的正负反馈调控机制都得以揭示，即：前馈调节发挥方向盘的作用，正反馈调节发挥加油作用，而来自于CLEs的负反馈调节则发挥刹车作用，三个环路共同维持花粉发育的绒毡层转录网络的时、空、和剂量准确性。这一研究，为激素间的互话研究，以及动植物发育过程的转录调控研究提供了重要参考。