拟南芥丝束蛋白AtFIM5调控花粉萌发及花粉管极性生长的分子机制

Pollen germination and pollen tube growth play pivotal roles in high plant sexual reproduction. AtFIM5 Loss-of-function mutants exhibited defects in pollen germination and pollen tube growth. The overall distribution of the actin bundles were random and irregular in atfim5 pollen grains and pollen tubes. However, the underlying mechanism is unknown. The subcelluar localization of AtFIM5 and LFIM1, its closest relative in lily pollen, showed the two fimbrin homologs were not only co-localized with actin bundles but also dispersed throughout the cytoplasm, indicating the fimbrin homolog in pollen may interact with other proteins. In addition, there are many proteins that interact with fimbrin have been identified in mammalians. Therefore, we plan to isolate the proteins that interact with the fimbrin homolog in pollen, and find the key genes to clarify the unknown mechanism by which the fimbrin homolog controls the organization of the actin bundles. CoIP-MassSpec will be performed to isolate the interact proteins, and then experimental approaches of biochemistry, molecular biology, cell biology and genetics will applied to explore the mechanism by which the AtFIM5 protein functions in pollen germination and pollen tube growth. Our studies will reveal the mechanism of action of AtFIM5, and also contribute to the understanding how the pollen germination and how the pollen tube growth.

花粉萌发和花粉管生长是高等植物有性生殖过程中的一个重要环节。花粉中的fimbrin同源蛋白AtFIM5功能缺失后花粉萌发及花粉管生长均出现了异常，花粉粒和花粉管中的微丝束排列紊乱，但这些现象背后的分子机制并不清楚。动物中关于fimbrin同源蛋白的研究成果和我们前期的实验结果提示可能还有其他互作蛋白参与了这一过程。因此本研究将以钓取花粉中fimbrin的互作蛋白为切入点，希望找到参与该过程的关键蛋白，阐明fimbrin的作用机制。我们将首先分离鉴定互作蛋白，接着通过生物化学、分子生物学、细胞生物学和遗传学等实验方法探究fimbrin调控花粉萌发和花粉管极性生长的分子机制。我们的研究成果不仅有利于揭示fimbrin的作用机制，还能够增加人们对植物花粉萌发和花粉管生长的调控机制的认识。

第一部分摘要:. 花粉管和根毛常被作为模式细胞用来探索极性生长的细胞学机制。AtFIM4 和AtFIM5是在这两类细胞中都具有较高表达量的微丝成束蛋白。为了探索AtFIM4的功能，我们分别获得了atfim4单突变体， atfim5单突变体 和atfim4/atfim5双突变体。通过观察以及统计分析发现：atfim4单突变体并没有明显表型，花粉萌发和花粉管的极性生长都很正常；atfim4/atfim5双突变体的植株荚果明显变短，其内的种子数显著减少。进一步通过杂交实验、苯胺蓝染色实验和花粉体外萌发实验，发现atfim4/atfim5双突变体的花粉萌发以及花粉管的极性生长出现了明显的缺陷。与已报道的atfim5单突变体相比，atfim4/atfim5双突变体的花粉萌发率与其无明显差别，而花粉管的长度显著降低。GUS组织染色结果表明：AtFIM4在成熟的花粉中并不表达，花粉水合后才开始表达。AtFIM5在成熟花粉粒和花粉管中均有表达。罗丹明—鬼笔环肽染色实验表明atfim4/atfim5双突变体中的微丝束数量明显减少。以上结果表明AtFIM4 和AtFIM5蛋白通过表达谱的差异协同调控花粉萌发和花粉管的极性生长。..第二部分摘要:. 根毛是植物体吸收养分的重要器官，在其发生以及极性生长阶段，微丝骨架均发挥着重要的作用，并且调控着根毛内的细胞核随着根毛细胞的起始和极性生长而迁移。自然条件下根毛寿命很短，仅能存活2～3周，随即脱落死亡。本研究以模式植物拟南芥根毛为材料，首次就根毛死亡的细胞学特征及其与核迁移之间的联系进行了研究。结果发现, 根毛衰老死亡后细胞内的原生质体发生收缩,正常的长管状根毛发生旋转扭曲，原位末端标记(TUNEL)检测表明幼根上的根毛细胞核DNA发生了片段化，进一步通过caspase-3的抑制剂（Ac-DEVD-CHO）处理发现根毛的死亡与caspase-3相关，证实了拟南芥根毛细胞的死亡是典型的程序性死亡。另外，观察和统计分析结果表明在根毛衰老死亡后，大多数根毛中的细胞核会从尖端返回到根毛基部，药物处理研究结果表明，在细胞核向基迁移过程中，环绕核的肌动蛋白微丝网状结构在核迁移中扮演重要角色，更有趣的是，细胞核的向基迁移活动受到caspase-3抑制剂Ac-DEVD-CHO的抑制，表明细胞核的向基迁移很可能与程序性死亡进程相关。