干旱胁迫条件下玉米脱水素ZmDHN13的磷酸化对其功能的影响

Dehydrins belong to the group 2 family LEA (Late Embryogenesis Abundant) proteins, which accumulate to high levels during the late stage of seed maturation (when acquisition of desiccation tolerance occurs in the embryo) and during water deficit in vegetative organs. These results indicate that dehydrins play an important role in response to drought stress. However, the mechanism is unclear. Here, the KS-type dehydrin gene, ZmDHN13, was identified and later characterized in maize. To obtain the mutant genes ZmDHN13ΔK, ZmDHN13ΔS and ZmDHN13ΔNLS, the three conserved segments were deleted respectively by using over-lap PCR. Preliminary results indicated that ZmDHN13 could bind metal ions and phosphatidic acid (PA); ZmDHN13 could protect the activity of lactate dehydrogenase (LDH) and DNase. ZmDHN13 could be phosphorylated by CKII. To investigate the molecular mechanism of ZmDHN13 in response to drought stress, the transgenic maize and tobacco will be analyzed the physiological characteristics under drought stress. Furthermore, we will research the roles of the phosphorylation of ZmDHN13 in the structure and the function under drought stress condition.

脱水素属于胚胎发育晚期丰富蛋白（Late Embryogenesis Abundant proteins, LEA proteins）第二家族，其在植物胚胎发育晚期以及受到干旱胁迫的条件下大量积累，这表明脱水素在响应干旱胁迫过程中具有重要作用，但到目前为止，其作用机制尚不明确。我们从玉米中克隆得到了KS型脱水素基因ZmDHN13并获得了缺失保守结构域的突变基因ZmDHN13ΔK, ZmDHN13ΔS和ZmDHN13ΔNLS。初步研究表明，ZmDHN13能够被酪氨酸蛋白激酶（CKII）磷酸化；能够与金属离子和磷脂酸（PA）结合；能够保护蛋白质的活性。本项目拟通过系统研究转基因玉米（过表达及沉默株系）及转基因烟草（过表达ZmDHN13及其突变基因）的抗旱生理特性和磷酸化对ZmDHN13结构与功能的影响，阐明脱水素的磷酸化在其响应水分胁迫过程中的作用，探究脱水素提高玉米干旱胁迫抗性的功能机制。

胚胎发育晚期丰富蛋白（LEA proteins）在植物胚胎发育的晚期及受到逆境胁迫时大量积累，其在植物逆境胁迫响应中发挥着重要的作用。根据LEA蛋白的保守结构域差异可以将其分为七个不同的家族，其中二族LEA蛋白也称为脱水素。脱水素含有三个保守结构域，由15个氨基酸组成的富含赖氨酸的保守K结构域（[E/H]KKGIMDKIKEKLPG）；Y结构域（[V/T]D[E/Q]YGNP）；由一串丝氨酸组成的被称为S片段的保守结构域（SSSSSEDD）。本项目从玉米品种郑单958中克隆得到了了KS型脱水素ZmDHN13。通过研究ZmDHN13及其缺失了保守结构域的蛋白（ZmDHN13ΔK, ZmDHN13ΔS, ZmDHN13ΔNLS）的功能差异，揭示ZmDHN13及其保守结构域在干旱胁迫，氧化胁迫以及铜离子胁迫过程中的功能。研究发现ZmDHN13主要定位于细胞核并且能够被酪氨酸蛋白激酶磷酸化。ZmDHN13的S结构域和NLS结构域对ZmDHN13的磷酸化及亚细胞定位具有重要作用；进一步实验表明ZmDHN13可以结合磷脂酸PA，但是不能结合磷脂酰胆碱PC。K结构域和NLS结构域可以影响ZmDHN13与PA的结合。ZmDHN13可以保护乳酸脱氢酶LDH活性免受各种逆境胁迫的影响，K结构域对ZmDHN13体外保护乳酸脱氢酶LDH活性具有重要作用；过表达ZmDHN13可以提高转基因材料（酵母，烟草和玉米）对干旱胁迫，氧化胁迫以及铜离子胁迫的抗性，ZmDHN13的三个保守结构域在响应逆境胁迫过程中具有相互协同的作用。这对探明玉米LEA蛋白的作用机理以及利用基因工程技术改良玉米的综合抗逆性具有一定的理论和实践意义。