拟南芥微管结合蛋白Long Seed1调控种子大小的分子机制研究

In higher plants, seed is one of the most important organs for nutrient storage and offspring propagation. Meanwhile, seed size is one of the determining factors of crop yield. In the recent years, tremendous progress has been made in understanding the molecular pathways that regulate seed size. However, little is known about the role of microtubule cytoskeleton in regulating seed size. In our previous work, we have identified a new gene involved in seed size regulation, LONG SEED1 (LSE1). Activated expression of LSE1 leads to larger seeds and longer siliques. LSE1 encodes a novel plant microtubule-binding protein. LSE1 also interacts physically with KTN1, a key regulator of microtubule organization. Based on these findings, here we propose to carry out works on three fronts to understand how LSE1 regulates the organization of microtubules in silique pavement cells and integument cells during seed development; to analyze how the interaction between LSE1 and KTN1 affects the dynamic organization of microtubules; to identify other components in LSE1-KTN1 complex; and to establish the LSE1-mediated genetic network of seed size control by integrating forward and reverse genetic approaches. Our work will shine light on the molecular mechanisms of how LSE1 regulates seed size via interacting with microtubule cytoskeleton. This work will provide new insights and gene resources for artificial manipulation of grain size in crops.

高等植物种子是贮藏营养、繁育和传播后代的重要器官。同时，种子大小是决定作物产量的重要农艺性状之一。近年来，种子大小的调控途径研究取得很大进展，但对微管细胞骨架调控种子大小的作用机制还不清楚。在前期工作中，申请人在拟南芥中发现了一个新的种子大小调控基因Long Seed1（LSE1）。LSE1表达激活促进种子变大、角果增长。LSE1编码一个新的植物微管结合蛋白，并与微管排布调控的关键蛋白KTN1互作。本项目将通过三方面工作，明确LSE1如何调控种皮细胞和角果表皮细胞伸长过程中微管的排布变化；解析LSE1与KTN1互作对微管排布动态变化的影响，鉴定LSE1-KTN1复合体中的其他蛋白组分；综合正反向遗传学方法，构建LSE1介导的调控种子大小的基因互作网络。这些工作将阐明LSE1通过调控微管细胞骨架促进种子增大的分子机制，为人工调控种子大小提供新的知识和基因资源。

植物细胞中周质微管的排列方式和动态变化响应外在环境信号和内在发育信号，调控植物细胞和器官的形态建成。前期工作中在激活标签突变体库中筛选获得一株具有子叶、种子和角果等器官过度伸长表型的显性突变体abs6-1D。发现ABS6基因的表达激活促进微管有序排列和细胞的定向伸长。ABS6基因编码一个IQ67 DOMAIN（IQD）家族成员AtIQD16。ABS6蛋白C端结合微管，促进微管成束和稳定。通过遗传逆转突变体筛选鉴定，发现ABS6依赖于与微管切割蛋白KTN1和SAV4促进周质微管有序排列。通过活细胞共聚焦成像，发现ABS6和SAV4促进KTN1招募至微管交叉和分支位置，进而提升微管切割频率，揭示了ABS6和SAV4促进微管切割的新功能。ABS6与KTN1和SAV4均存在直接的物理互作，促进KTN1和SAV4定位至微管。对功能缺失突变体的研究揭示ABS6、SAV4和KTN1协同调控暗中生长的黄化幼苗顶端弯钩对植物激素乙烯的响应。证明了ABS6蛋白C端的未知功能结构域DUF4005是一个新的微管结合结构域。鉴定了DUF4005中一段包含15个氨基酸残基的保守序列是微管结合的必需序列。拟南芥中过表达ABS6中的DUF4005结构域在植株水平导致螺旋生长，在细胞水平干扰细胞的各向异性生长。鉴定了六倍体小麦（Triticum aestivum) IQD基因家族至少包含78个成员。对其中一个TaIQD基因TaIQD3D-6的功能研究表明，在体外实验中TaIQD3D-6与微管直接结合，在拟南芥中稳定表达的TaIQD3D-6-GFP在分裂间期结合周质微管，在胞质分裂期定位于细胞板。通过拟南芥中过表达TaIQD3D-6植株的微管异常表型分析，揭示TaIQD3D-6可以在植物中通过干扰微管稳态影响植物生长发育。本项目的研究建立了ABS6与KTN1和SAV4互作，协同促进周质微管有序排布和细胞定向伸长的分子调控模型，增进了对微管动态调控和植物细胞形态建成的分子机理的理解，为植物IQD蛋白的微管结合机制提供了新见解，拓展了对作物IQD蛋白功能的认识，为以微管为靶标人工调控作物器官和植株形态提供了理论基础。