拟南芥CER9基因参与调节种子油脂合成的机理研究

To investigate the mechanism underlying plant lipid biosynsthesis have great theoretical and practical application significance. In recent years, the cloning of plant lipid genes and resolving their transcriptional regulation has made great progress. However, people still know little about the regulation of these genes at post-transcriptional level. In our previous work, we analyzed a loss-of-function mutant of CER9, which encoding a putative E3 ubiquitin ligase located in the endoplasmic reticulum, and found that cer9-2 mutant showed 17% more higher oil content accumulation in the seeds compared with wild type plants. Furthermore, it is interesting to find that CER9 could interact with lysophosphatidyl acyltransferase 2，a key gene involved in lipid synthesis in a yeast two hybrid screen. In this application, we want to understand the molecular function of CER9 in lipid synthesis regulation. We plan to study its gene expression and protein expression pattern during seed development process, to analyze its subcellular location and biochemical function as E3 ligase. Furthermore, we want to establish a relationship between its protein interaction with LPAT2 and the higher oil content of its mutant. Finally, role of CER9 in connecting the ER stress to lipid synthesis will be discussed. The results will help to provide theoretical basis and gene resource for high oil content crop breeding.

植物油脂合成调控的机理研究具有重要的理论和应用价值。近年来关于植物油脂代谢相关基因的克隆和转录调节研究已经取得了比较大的进展，但人们对油脂代谢合成酶类在转录后水平的调控方式还不甚清楚。在前期研究中，我们对一个编码可能定位在内质网的E3泛素连接酶CER9进行初步分析，发现其功能缺失突变体导致其种子含油量相对于野生型上升了17%左右。酵母双杂交筛选结果发现CER9可以和一个参与油脂合成的关键基因溶血磷脂酸酰基转移酶2(LPAT2)相互作用。在本次申请中，我们希望明确CER9作用的分子机理。研究CER9在种子发育过程的时空表达模式，分析CER9的亚细胞定位和作为泛素连接酶的生化功能，并进一步从生化水平和分子水平系统解析CER9通过与LPAT2相互作用调节种子油脂含量的机制及这种调节方式与内质网胁迫的关系。在此基础上，为培育高含油量作物品种提供基因资源和理论基础。

植物油脂合成调控的机理研究具有重要的理论和应用价值。而且已知高温可以抑制种子油脂合成，因此在全球气候变暖背景下，研究高温影响油脂合成的分子机理具有更为紧迫的现实意义。在初步分析一个编码可能定位在内质网的E3泛素连接酶CER9基因参与拟南芥种子油脂合成调控的基础上，通过本项目研究，我们探讨了CER9与LPAT2互作调控油脂合成的分子机制并评价了其应用价值；同时利用多组学技术系统研究了CER9基因突变后，对种子发育过程中的蛋白质、转录组和脂质组的影响；最后，系统解析了植物ERAD不同途径系统参与植物蜡质合成调节及高温胁迫耐受的功能。取得重要结果有：1）发现CER9负调控种子油脂合成而且CER9可能主要是在种子油脂积累的后期发挥作用。2）酶活分析发现CER9的E3 泛素连接酶活性可能需要特异的E2蛋白。3）通过酵母双杂交筛选发现CER9与LPAT2互作，而且在CER9功能缺失的条件下，LPAT2蛋白促进油脂合成的功能得到更高水平的释放。cer9-2 35S::LPAT2的转基因材料和野生型或突变体相比较都极大的提高了种子油脂含量。4）多组学研究结果为CER9参与种子油脂合成提供了更多的证据，也为CER9的其他生物学功能提供了线索。5）通过一系列遗传和分子生物学实验证明植物ERAD不同途径协同参与调控蜡质合成。6）发现ERAD途径参与植物对高温胁迫的响应，而且cer9-2突变体对高温对种子油脂合成的抑制不敏感。通过以上结果，我们建立了高温通过CER9影响种子含油量的分子调控模型，获得了大幅度提供种子含油量的技术途径，并对ERAD途径在蜡质合成及热胁迫耐受等方面的生物学功能有了新的见解。研究结果具有重要的理论和应用价值。项目资助已发表SCI论文1篇，待发表3篇。培养硕士和博士研究生各一名，均已顺利完成论文答辩。项目投入经费24.0万元，支出21.3503万元。各项支出基本与预算相符，剩余经费2.6497万元。剩余经费计划用于本项目研究后续支出。