拟南芥受体激酶BAK1和BKK1介导细胞死亡分子机理

In plant growth and development, cell death is a finely tuned physiological process, closely related to apoptosis, immunity, disease resistance and stress responses. Previous studies have shown that, in Arabidopsis, receptor kinase BAK1 is involved in recognition of phytohormone brassinosteroid (BR) and BR signaling activation. Surprisingly, in additon to participating in BR signal pathway, BAK1 and its homolog BKK1 also regulate a BR-independent cell death pathway, shown by the light-dependent lethal phenotype of null bak1 bkk1 double mutant, in which salicylic acid (SA) and reactive oxygen species (ROS) are excessively accumulated. The molecular mechanism, however, is still unclear. By using an activation tagging strategy, applicant screened genetic suppressors of a weak bak1 bkk1 double mutant and successfully identified a nucleoporin, SBB1. Loss-of-function of SBB1 completely suppressed the cell death phenotype of the weak bak1 bkk1 double mutant, indicating the central role of nucleocytoplasmic communication in BAK1-mediated cell death control. Based on preliminary genetic and biochemical results, the current project proposes to seek the new regulators in BAK1-regulated cell death pathway and to reveal the molecular mechanism of BAK1-mediated cell death control.

细胞凋亡在植物生长发育过程中是一个精密调控的生理学过程，与衰老，免疫抗病，逆境响应等生物学行为密切相关。前期研究表明，拟南芥受体激酶BAK1参与植物激素油菜素内酯（BR）的识别与信号激活。同时，BAK1与其同源基因BKK1在参与BR信号途径之外，还控制一个不依赖BR的细胞死亡途径，表现为bak1 bkk1双突变体的光依赖致死表型，并伴随水杨酸（SA）以及活性氧（ROS）的大量累积。然而这一细胞死亡调控的其分子机理还不清楚。申请者运用激活标签法，以bak1 bkk1弱双突变体为背景筛选遗传抑制子，成功鉴定到一个核孔蛋白SBB1，其缺失突变完全恢复bak1 bkk1弱双突变体的死亡表型，强烈指示核质交流在BAK1介导的细胞死亡途径中的核心作用。本项目旨在利用已获得的遗传生化结果基础上，寻找在BAK1调控的细胞死亡途径中新的作用元件，建立分子调控模型，揭示BAK1控制细胞死亡的分子机理。

植物不同于动物可以主动逃避多种逆境胁迫，所以在长期的进化过程中，其形成了一系列精细的调控网络，以适应各种胁迫。前期研究显示，植物细胞膜上的受体BAK1不仅可以作为BRI1的共受体调控植物BR信号转导，同时可以作为FLS2，EFR等的共受体参与调控植物的Pattern Triggered Immunity (PTI)响应。更令人意外的是将BAK1及其同源基因BKK1同时敲除时，产生了明显的幼苗胚后致死。本课题对BAK1及其同源基因BKK1介导的细胞死亡进行了深入分析，发现bak1 bkk1缺失突变体在光下介导的细胞死亡，依赖于植物体内水杨酸的大量爆发。且相比于Col-0，bak1 bkk1缺失突变体对病原菌的抗性明显增加，同时EDS1和PAD4的缺失可以很好的恢复BAK1和BKK1调控的细胞死亡，暗示着BAK1和BKK1介导的细胞死亡可能和植物Effector Triggered Immunity (ETI)相关。基于RNA-seq技术，我们发现大量参与植物ETI响应的R基因在bak1 bkk1缺失突变体中显著上调表达。通过筛选，我们发现R基因SAKs在BAK1和BKK1缺失突变体中均显著上调表达。基于遗传学的进一步分析，我们发现SAKs在调控BAK1和BKK1介导的细胞死亡过程中起着重要作用，并首次从分子机理上揭示了bak1 bkk1缺失突变体表现出的细胞死亡是由于植物体内ETI信号途径的激活。同时该研究还发现BAK1不光调控植物的PTI信号途径，同时在植物ETI信号调控中也具有重要作用。由于BAK1和BKK1同属于SERK家族，但在Col-0背景中，和BKK1同源性很高的SERK5却并不能恢复BAK1和BKK1调控的细胞死亡，基于不同生态型背景下SERKs序列的同源分析，我们发现Col-0背景中的SERK5在RD Motif存在一个天然点突，首次证明Ler背景下的SERK5依然具有其生物学功能。该课题基于扎实的遗传学基础，并结合多种生理生化检测以及生物信息学的分析，初步阐释了BAK1和BKK1在无菌条件下介导产生细胞死亡的分子机理，对我们进一步深入了解BAK1的生物学功能提供了坚实的遗传及分子生物学证据。该研究对我们更清晰地了解植物细胞适应环境的信号感知，转导及下游基因的响应提供了理论依据，同时对指导我们改良生产更加高产、抗病的农作物品种提供了重要的理论依据。