拟南芥线粒体蛋白RRG及其同源蛋白RRL调控根尖分生组织细胞分裂的分子机制研究

In plant, development of root system directly affects plant growth. Postembryonic development of root is driven by cell proliferation in the root apical meristem （RAM）. In the previous study, we screened an Arabidopsis short-root mutant named rrg, and found that RRG could regulate cell division in the root apical meristem. RRG protein is localized at mitochondria and RRG gene is predominantly expressed in the root apical meristem. Mitochondrial protein RRG plays a role in cell division and endoreduplication for controlling the development of the root apical meristem, and thus affects meristem size and root growth. Arabidopsis genome includes a homologue of RRG named RRL(RRG-LIKE). The two homologue shares 77% identical amino acid sequence. The preliminary data showed that the RRL null mutant has similar phenotypes compared with the RRG null mutant. In this project, we will study the role of Arabidopsis mitochondrial protein RRG and its homologue RRL in regulation of cell division in the root apical meristem with different methods, such as ultrastructural analysis of root meristem cells, determination of ATP and ROS levels, mitochondrial protein isolation, marker enzyme bioassay. This study will help us understand the behavior and function of mitochondria in regulation of cell division in the root apical meristem, further disclose the molecular mechanism of the development of root apical meristem.

根系的正常发育直接影响植物的生长状况。根尖分生组织（RAM）细胞增殖驱动植物胚后根的发育。前期研究中，我们筛选到一个拟南芥短根突变体rrg，研究发现RRG调控根尖分生组织细胞分裂。RRG定位于线粒体，在拟南芥根尖分生组织中特异性表达，通过调控细胞分裂和核内复制控制根尖分生组织发育，进而影响分生组织大小和根的生长。RRG在拟南芥基因中有一个同源基因RRL（RRG-LIKE），其氨基酸序列与RRG的相似度达77%。初步研究结果表明，缺失突变体rrl具有与rrg极其相似的表型。本项目将采用细胞超微结构观察、ATP和活性氧含量检测、线粒体蛋白分离、标记酶酶活测定等方法，进一步研究拟南芥线粒体蛋白RRG及其同源蛋白RRL调控根尖分生组织细胞分裂的作用机制。该研究将有助于我们了解植物根尖分生组织细胞分裂调控过程中线粒体的行为和功能，进一步揭示根尖分生组织发育的分子机理。

我们的前期研究发现拟南芥线粒体蛋白RRG调控根尖分生组织细胞分裂，本课题通过实验验证，发现其同源蛋白RRL (RETARDED ROOT GROWTH-LIKE)也是一个线粒体蛋白。虽然RRL和RRG在核酸水平和蛋白质水平分别有54%和57%的相似性，但它们的功能已经发生了分化。关于脱落酸ABA信号传导的分子机制已经研究了许多年，然而线粒体蛋白如何在ABA信号传导中发挥作用并不清楚。本课题发现RRG的同源蛋白线粒体RRL作用于ABA信号传导。在种子萌发和幼苗生长的过程中，RRL的功能缺失降低了植株对ABA的敏感性，而超表达RRL增加了植株ABA的敏感性。通过对ProRRL-GUS转基因植株进行GUS染色，我们发现RRL基因在萌发的种子和早期发育的幼苗中有较高的表达水平。RRL功能的缺失还导致了细胞中线粒体的空泡化和ABA诱导产生的活性氧ROS的减少。以前的研究表明当线粒体电子传递链遭到破坏后，线粒体反向调控可增加电子传递链交替氧化酶途径中交替氧化酶(AOX)的表达，从而补偿ROS的水平。在线粒体反向调控中，AP2型转录因子ABI4是交替氧化酶AOX1a的一个调控因子。本研究发现在功能缺失突变体rrl中，ABA诱导的AOX1a和ABI4的表达受到抑制，说明RRL很有可能也参与了ABI4介导的线粒体反向调控途径中。另外，实验结果表明在种子萌发和幼苗生长的过程中，ABI4作用于RRL介导的ABA信号传导途径的下游。