信号转导系统通过MAP18蛋白介导调控微丝骨架动态影响拟南芥根毛细胞顶端生长

Actin filaments, actin-binding proteins, the tip-focused calcium gradient, ROS, and small G proteins are key factors involved in polar growth of root hais and pollen tubes. However, it is largely unknown about the coordination between these signal components and the cytokeleton. We previously reported that a Arabidopsis microtubule-associated protein, MAP18, functions in controlling the direction of pollen tube growth by its Ca2+-dependent F-actin-severing activity. Our preliminary observations indicated that MAP18 may also function in root hair growth. In this project, studies about how the subcellular localization of MAP18 is regulated by a small G protein ROP2 and Ca2+ to further affect the actin cytoskeleton in root hair cells; how MAP18 affects the production and contribution of ROS, forming as a positive feedback; and how the vesicle trafficking takes place as a negative feedback on MAP18 positioning will be carried out. Thess studies will establish a pathway of signal transduction system mediated by MAP18 protein to regulate the cytoskeleton involved in root hair polar growth.

微丝及其结合蛋白、顶端钙离子梯度、活性氧、小G蛋白等等都在根毛细胞的顶端生长中发挥着十分重要的功能，但是细胞骨架和信号系统在根毛细胞生长调控中是如何协同起作用的仍有待解析。申请人之前的研究证明了拟南芥MAP18蛋白可以依赖钙离子调控微丝从而控制花粉管顶端生长的方向，初步的观察结果又表明MAP18可能参与了根毛细胞的生长调控。本项目拟通过分析小G蛋白ROP2和Ca2+是如何调节MAP18的亚细胞定位从而影响MAP18与微丝骨架的作用来影响细胞顶端生长的，MAP18对ROS的产生和分布所形成的正反馈信号，以及囊泡运输对MAP18定位的负反馈信号的相关调节机制等内容进行研究，从而建立起一个信号转导系统通过MAP18蛋白的介导调控细胞骨架动态进而影响根毛细胞极性生长的途径。研究结果对深入了解植物细胞极性生长过程中信号转导系统和细胞骨架间的调控机制有重要的科学理论意义。

建立和保持极性生长点对于根毛生长非常重要。微丝动态、微丝结合蛋白和小G蛋白等等都在根毛细胞的顶端生长中发挥着十分重要的功能，但是细胞骨架和信号系统在根毛细胞生长调控中是如何协同起作用的仍有待解析。申请人之前的研究证明了拟南芥微管结合蛋白MAP18除了调控周质微管动态之外，还可以依赖钙离子调控微丝从而控制花粉管顶端生长的方向。在本项目的研究中，通过观察和统计发现MAP18可以调控根毛细胞顶端和亚顶端中微丝骨架的动态和排列方式，进而影响根毛的顶端生长。在MAP18过表达根毛细胞中，细胞核距离根毛顶端的长度明显长于野生型，而map18突变体根毛中的细胞核距离根毛顶端非常近。研究表明MAP18可以通过调控微丝动态从而影响细胞核的定位，进一步通过对MAP18点突变体的分析发现MAP18的微丝切割功能对于其调控微丝动态组织和影响细胞核定位是必要的。. 小G蛋白ROP2有活性形式（与GTP结合）和非活性形式（与GDP结合）两种状态，在细胞内通过被不同蛋白的调节可以相互转化。本项目通过一系列生化和遗传的实验证明，MAP18在体外和体内都可以和无活性ROP2结合。过表达MAP18可以促进体内有活性的ROP2增加，而抑制MAP18的表达量会降低有活性ROP2的量，说明MAP18可以促进ROP2向活性形式转化。药理学实验证明MAP18对ROP2活性的促进并不依赖于微丝或微管结构。SCN1(SUPERCENTIPEDE1)是在拟南芥根中表达的一种RhoGDI (GDP DISSOCIATION INHIBITOR1, 小G蛋白GDP解离抑制子)，可以抑制ROP2活性。进一步实验证明MAP18通过与SCN1竞争结合ROP2，促使无活性ROP2向有活性的转化。在拟南芥根毛生长过程中，MAP18在顶端生长的特定区域增强了ROP2的活性，从而调控了根毛的极性生长。. 通过对本项目的研究，建立起一个MAP18调控信号转导系统导调控细胞骨架动态进而影响根毛细胞极性生长的途径。研究结果对深入了解植物细胞极性生长过程中信号转导系统和细胞骨架间的调控机制有重要的科学理论意义。