拟南芥二胺氧化酶应答生长素和调控侧根发育的分子机理

The growth and development of plant roots are regulated by phytohormone, calcium, reactive oxygen species (ROS) and cytoskeleton. The copper amine oxidases (CuAOs) generally catalyze the oxidation of the aliphatic diamine putrescine at the primary amino group to give pyrroline, ammonia and hydrogen peroxide. This project will study the molecular mechanisms of CuAOζ and its product H2O2 in response to auxin and regulating of lateral roots development in Arabidopsis. Our previous study had indicated that CuAOζ was localized in peroxisome, and had higher expression levels in cortex and endodermis cells; deletion of CuAOζ gene resulted in inhibition of auxin-induced lateral root development. The project will investigate the pattern of CuAOζ in response to auxin treatment, and detect the real-time changes of ROS in cortex cells by pharmacological and cell biological methodologies, which will uncover effect of CuAOζ on the generation of ROS in cortex cells and development of lateral roots. By using DR5-GUS and PIN2-GFP, we will investigate the effect of CuAOζ on the polar transport and distribution of auxin efflux proteins PIN-FORMEDs (PINs) and auxin, which will reveal a developmental pathway mediated by CuAO, ROS and auxin, and further overall principles of plant growth and development.

植物根的生长发育受激素、钙、活性氧（ROS）和细胞骨架等多方面调控。二胺氧化酶（CuAOs）氧化降解腐胺生成吡咯啉、NH3和信号分子H2O2。本项目研究拟南芥CuAOζ及其产物H2O2应答生长素和调控侧根发育的分子机制。我们的前期研究表明，CuAOζ是过氧化物酶体蛋白，主要表达于主根的皮层和内皮层；CuAOζ基因的敲除导致生长素诱导的侧根发育受到抑制。本项目将利用GFP融合蛋白和GUS转基因株系，研究生长素处理下CuAOζ的应答模式，并结合药物学、细胞生物学等手段，实时荧光检测根皮层H2O2变化，揭示CuAOζ对皮层H2O2产生及其侧根发育的调控作用。利用生长素相关探针，初步探寻CuAOζ对生长素输出蛋白PIN-FORMEDs（PINs）的极性运输、分布及其生长素极性分布的调控作用，目的是揭示由二胺氧化酶、ROS和生长素共同介导的植物侧根发育调控途径，从而深入认识植物生长发育的基本规律。

本项目以拟南芥为研究材料，从生理、细胞和遗传学角度从确定了拟南芥CuAOζ应答生长素和调控侧根发育的分子机理，解析基于信号分子H2O2的生长素极性运输和细胞发育的新信号途径，在J Exp Bot等期刊发表研究论文论文3篇，主要研究内容如下：.1）研究发现，拟南芥CuAOζ定位于过氧化物酶体，其主要表达在根的皮层和内皮层。在生长素刺激下，CuAOζ被激活产生ROS，调控生长素输出载体PIN2表达，进而调控侧根发育。其中，CuAOζ能与PEX5互作，共同调控生长素信号。我们研究揭示了基于过氧化物酶体ROS-PIN2介导的生长素信号调控的新途径。论文发表在J Exp Bot期刊。.2）我们研究发现CuAOζ基因5’UTR是调控其在根尖表达的关键序列，暗示5’UTR可能受转录因子的调控。以CuAOζ基因的5’UTR为诱饵，利用酵母单杂交技术筛选出两个与该序列互作的转录因子MYB和GATA2，并利用酵母回证实MYB和GATA2与之互作。通过三引物法，我们获得了myb纯合突变体植株。定量结果表明外源生长素IBA处理显著提高MYB基因的表达。为了进一步探究MYB如何调控CuAOζ基因的表达，我们将myb与PCuAOζ:CuAOζ-GFP-SKL 和PCuAOζ:GUS 转基因材料杂交。定量实验和激光共聚焦显微镜结果显示，外源IBA处理时，WT中CuAOζ基因的表达显著升高；myb突变体中CuAOζ基因的表达无显著变化，但本底水平显著高于WT。上述研究结果表明MYB可能是调控CuAOζ基因表达以响应生长素信号和调控侧根发育的关键因子。研究成果发表在Plant Growth Regulation 期刊。.3）我们研究发现，盐胁迫下，PLDα1和PLDδ同时被激活，水解底物PC/PE（磷脂酰胆碱/磷脂酰乙醇氨）并产生PA，PA结合并激活蛋白激酶PID（PINOID；AGCVIII蛋白家族），增强其磷酸化PIN2（生长素输出转运蛋白）活性，提高了PIN2外运生长素能力，从而促进了生长素在根尖的再分布，维持植物生长以抵御盐胁迫，作为参与作者研究成果发表于2019年1月的Plant Cell 期刊。