植物FtsZ的功能及其进化

Chloroplasts are the major place of photosynthesis. Chloroplasts division is important for the maintenance of a stable number of chloroplasts in a cell, photosynthesis and other physiological processes in plants. FtsZ is a key chloroplast division protein. It initiates the assembly of chloroplast division complex and is directly involved in the contraction of division ring. FtsZ widely exists in all kinds of bacteria and plants. Bioinformatics analysis results of this project indicated that the FtsZ in plants was derived from cyanobacteria, but they have some differences. There is a differentiation of FtsZ1 and FtsZ2 subfamilies in higher plants. Conserved motifs with unknown function at the C-terminal of FtsZ1 and the N-terminal of FtsZ2 have been evolved. In addition, the C-terminal of FtsZ2 also has a motif which is unique in plants and cyanobacteria. With a strategy of point mutant, domain exchange mutant, deletion mutant and overexpressing interference mutant and in combination with a series of in planta cell biology and biochemistry experiments and phylogenetic analysis on the unique features of FtsZ in plants, this project aims to find its interaction proteins, understand its mechanism of action, and finally elucidate the reasons for its function differentiation and the history of its evolution in plants.

叶绿体是光合作用的主要场所。叶绿体的分裂对于维持植物细胞中叶绿体数目的稳定、光合作用以及其他一些生理过程都具有重要意义。FtsZ一个关键的叶绿体分裂蛋白，它起始了叶绿体分裂蛋白复合体的装配并且直接参与了分裂环的收缩。FtsZ广泛存在于各种细菌和植物中。本项目的生物信息学分析结果显示，植物中的FtsZ蛋白源自蓝细菌，但是又有所不同。在高等植物中有FtsZ1和FtsZ2亚家族的分化，并且在FtsZ1的C末端和FtsZ2的N端都进化出了功能未知但序列保守的motif。另外，FtsZ2的C末端也有一个motif是植物和蓝细菌特有的。本项目旨在通过点突变体、结构域置换突变体、缺失突变体和超表达干扰突变体等策略，结合一系列的植物体内的细胞生物学和生化实验以及系统进化分析，对植物FtsZ特有的特征进行深入研究，发现有关互作蛋白，了解其作用机制，最后阐明FtsZ在植物中功能分化的原因和进化的历史。

叶绿体是植物特有的细胞器，它以二元分裂的方式进行增殖。FtsZ是叶绿体分裂机器装配的第一个成员，它起始了整个分裂过程并且驱动了叶绿体的分裂。FtsZ广泛存在于细菌和植物中，大多数细菌中只有单拷贝的FtsZ基因，而在进行光合作用的真核生物中，FtsZ具有FtsZ1和FtsZ2两个亚家族。近年来FtsZ1和FtsZ2在拟南芥叶绿体分裂中的作用不断被报道，但是FtsZ1和FtsZ2不同结构域及保守基序在叶绿体分裂过程中的具体功能及其系统进化尚不清楚。本项目在获得拟南芥EMS诱变突变体cpd201的基础上，探讨FtsZ1的C末端保守基序在叶绿体分裂中的作用机制，从进化的角度研究FtsZ蛋白的系统进化及其功能分化等。本项目着重阐明保守基序在FtsZ蛋白执行生理功能过程中所起的重要作用，进而解析其产生该作用的分子机制，为深入了解叶绿体分裂过程提供重要的参考依据。.本项目所获得的研究结果证明缺失FtsZ1的C末端后影响叶绿体的正常分裂，生物信息学分析表明FtsZ1的C末端存在一个比较保守的基序，该基序是在进化过程中产生的，只存在于高等植物中。将FtsZ1的C末端单个、串联或者并联在大肠杆菌中表达后影响了大肠杆菌的细胞分裂，如果将C末端的氨基酸突变后再转入大肠杆菌中，这种干扰作用就会消失。进一步的研究结果显示过量表达FtsZ1的C末端并不影响拟南芥中叶绿体的分裂，说明FtsZ1的C末端保守基序可能并不影响FtsZ1与其他蛋白的相互作用，而是影响了FtsZ1在叶绿体中的定位。于是，我们将全长FtsZ1与缺少FtsZ1 C末端的片段在烟草叶片中瞬时表达，定位分析发现缺少FtsZ1 C末端的片段与FtsZ1全长的定位没有明显的差异，这可能是由于异源系统的缘故。.