番茄小G蛋白Type-II ROP调控花粉管生长模式的分子机制

The growth of pollen tube cell is crucial for sexual reproduction of flowering plants. Rho GTPases of plants (ROPs) are important molecular switches of pollen tube tip-growth. But most research focused on type-I ROPs, the role of type-II ROP in pollen tube growth mode is not yet clear. Our previous work showed that overexpression of tomato pollen tube receptor kinase LePRK1 rewires pollen tube growth to a blebbing growth mode, but the downstream signaling components of LePRK1 have not been identified. Our recent preliminary results showed that SlROPBL is the only type-II ROP highly expressed in tomato pollen tube, and overexpression of SlROPBL caused the tip swelling and blebbing phenotype just like LePRK1. On the basis of these results, we propose to take multiple approaches including cell biology, biochemistry and genetics, and dissect the biological functions of SlROPBL. With point mutation constructs, we will characterize how the activity of ROP GTPase and posttranslational modification affect SlROPBL biological functions. Furthermore we will screen and identify the key downstream target effectors of SlROPBL, elucidate LePRK1-SlROPBL-SlPLIM2a signaling pathway. Our research will elucidate the molecular mechanism of tomato type-II ROP regulating the growth mode of pollen tube, which will help to advance our understanding of fundamental molecular mechanisms of cell growth.

花粉管的生长对开花植物的有性生殖至为关键，小G蛋白ROPs是调控花粉管极性生长的重要分子开关，但现有研究多集中在type-I ROPs，type-II ROP在花粉管生长中作用尚不清楚。本研究组前期研究表明番茄花粉受体激酶LePRK1调控花粉管生长模式由管状生长转变为泡状生长，但其下游信号还不明了。我们初步研究表明SlROPBL是唯一在番茄花粉管中高表达的type-II亚家族ROP，过表达SlROPBL不仅导致花粉管极性丧失而且产生与过表达LePRK1相似的泡状生长表型。本项目拟采用细胞学、生物化学、遗传学等方法，分析SlROPBL不同活性形式和硫酰化修饰对于其顶端膜定位及其生物功能的影响，筛选SlROPBL下游效应因子，解析SlROPBL对花粉管细胞骨架的调节作用，阐明LePRK1-SlROPBL-SlPLIM2a信号通路及调控花粉管生长模式的分子机制，推进对细胞生长机制的深入理解。

花粉萌发和花粉管生长对显花植物的有性生殖至为关键，而作为“分子开关”的小G蛋白ROPs调控花粉管在花粉管顶端生长过程中发挥了重要而调控作用。现有研究多集中在type-Ⅰ型ROPs，对于type-II型ROPs在花粉管生长中的作用知之甚少。我们的前期工作表明，花粉受体激酶LePRK1及其下游的鸟苷酸交换因子KPP信号转导通路参与调控花粉管生长，但对该信号通路的下游信号还不明了。我们的工作表明SlROP11是唯一在番茄花粉管中表达的type-II 亚家族的ROP。不管是烟草花粉中瞬时表达还是构建转基因番茄，过表达SlROP11的荧光标记融合蛋白都能够影响花粉管生长：顶端膨大并且吐泡，这与过表达LePRK1产生的表型十分相似。SlROP11的硫酰化修饰是其泡状生长表型的基础，其C端可变域可以赋予其它type-Ⅰ型ROPs产生泡状生长的能力。我们同时还观察到，SlROP11只能被KPP特异性激活，只有激活态SlROP11才能使花粉管转变为泡状生长模式，显性失活态SlROP11则可以抑制LePRK1过表达时产生的吐泡表型，激活态SlROP11与失去吐泡能力的LePRK1ΔC共表达时，花粉管依然能够转为泡状生长模式，这都暗示着SlROP11参与了LePRK1-KPP的信号通路。此前的研究表明微丝成束蛋白Plim2a参与LePRK1调控的花粉管生长通路，本研究中，我们发现SlROP11下游调控三种微丝结合蛋白，微丝交联蛋白CROLIN2、微丝成束蛋白Plim2a、以及微丝切割蛋白ADF，从而影响花粉管顶端微丝定位、微丝骨架的平衡、动态重组等。这些数据提示SlROP11作为LePKR1-KPP信号通路的下游因子，将膜上受体激酶的信号传递到胞内，进而通过调控多个微丝结合蛋白影响花粉管微丝骨架排列，从而调控花粉管生长。