磷脂酶D调控生长素极性运输和应答高盐胁迫的分子机理

Auxin polar transport regulates organ development, photomorphogenesis and responses to external stresses in plants. As an essential signal molecule, the product of phospholipase D (PLD)-phosphatidic acid (PA) senses external stresses and transduces them to intercellular components. Here we will study the molecular mechanism of PLD in regulating auxin polar transport and plant responding to salt stress. We will determine the specific interacting sites in PID and PIN2 bound to PA and the molecular mechanism for their reactions, and we will explore how PA binds to PID and PIN2, which regulates the PID-involved PIN2 phosphorylation and polar distribution to mediate plants resistance against salt stress. We will study the feedback effect of auxin polar transport on the PLD activity. The study above will reveal a lipid-, kinase- and auxin transporter-involved signal pathway in response to salt stress, which will provide scientific basis and genetic resources for improving crop salt resistance.

生长素的极性运输特异地调控植物器官发育、形态建成和抗逆响应等重要过程。磷脂酶D（PLD）的产物磷脂酸（PA）作为信号分子，感受和应答外界胁迫并传递信号。本项目着重研究高盐胁迫下，拟南芥PLD调控生长素极性运输和应答高盐胁迫的分子机理。体内外探寻PA与蛋白激酶PINOID（PID）、生长素转运蛋白PINFORMED2（PIN2）的结合位点及分子机制；结合生理学、细胞生物学和遗传学方法，体内外明确PA如何结合PID和PIN2，进而调控PID激酶磷酸化PIN2的活性，调节生长素的极性运输、分布，最终影响植物的耐盐性。初步探寻PID激酶对PLD活性的调控作用，并结合生长素相关的遗传材料、药物及其相关探针，研究生长素极性运输对PLD活性的反馈调控模式。目的是揭示由膜脂、蛋白激酶和生长素转运蛋白共同介导的植物耐盐信号通路，为提高农作物抗盐的分子改良提供科学依据和基因资源。

本项目以拟南芥为研究材料，对磷脂介导生长素、活性氧信号与植物抗逆开展了系统性研究，并取得了一系列重要研究进展。在本项目资助下，研究成果在Plant Cell、Plant Physiology和Journal of Experimental Botany 权威期刊发表3篇研究论文。主要研究进展如下：.1）我们研究发现，盐胁迫下，PLDα1和PLDδ同时被激活，水解底物PC/PE（磷脂酰胆碱/磷脂酰乙醇氨）并产生PA，PA结合并激活蛋白激酶PID（PINOID；AGCVIII蛋白家族），增强其磷酸化PIN2（生长素输出转运蛋白）活性，提高了PIN2外运生长素能力，从而促进了生长素在根尖的再分布，维持植物生长以抵御盐胁迫，研究成果发表于2019年1月的Plant Cell 期刊。.2）我们前期研究结果表明PLDδ是定位于细胞膜的微管结合蛋白。我们最新研究结果表明，胞质型热激蛋白HSP70-3也能结合和稳定微管，而且可以与PLDδ互作，从而共同调节磷脂代谢、微管形态和植物耐热性。深入研究表明，622位精氨酸是二者互作的关键位点。有意思的是，高温处理促使大量HSP70-3蛋白向质膜募集，而且该过程依赖于二者的互作。研究结果已被Plant Physiology期刊接受。.3）热胁迫诱导产生的H2O2能氧化PLDδ蛋白并提高其酶活，解聚保卫细胞微管骨架，最终促进气孔关闭。深入研究发现，H2O2处理可能促使PLDδ蛋白形成二硫键，增加其与钙离子的结合能力。上述研究结果表明LDδ可能是植物细胞膜上重要的温度感受器，该研究成果对农作物的抗逆分子遗传改良具有重要意义。论文发表于2020年10月的Journal of Experimental Botany.