拟南芥果糖信号新途径关键基因FSQ6的克隆与功能分析

已有的研究表明，葡萄糖和蔗糖信号途径在植物生长发育和对环境响应的过程中具有重要的作用，而果糖则被认为可能与葡萄糖共用由葡萄糖受体-己糖激酶(HXK1)介导的信号途径。申请者的前期工作发现，拟南芥的果糖敏感性不依赖HXK1，并且在重组自交系群体中检测到多个对果糖处理敏感而对葡萄糖处理不敏感的遗传位点，提示植物中存在新的果糖信号途径。利用重组自交系群体和近等基因系，申请者确了定其中的FSQ6基因特异控制果糖信号，并将其定位在第5染色体短臂的一个42kb区域内。本项目将完成FSQ6基因的图位克隆，进行转基因功能互补验证，研究其时空表达模式，采用表达谱分析等高通量技术平台鉴定与FSQ6基因相关的果糖信号途径调控的基因，揭示调控果糖信号途径的分子机理。预期本研究将开辟植物糖信号途径的一个新领域，为揭示糖信号以及糖信号调控植物源库关系的分子机理，并最终应用于作物改良奠定坚实的理论基础。

糖不仅为生物提供能量和碳骨架，而且也作为进化保守的的信号分子。在植物中有三种主要的糖：蔗糖、葡萄糖和果糖。植物的葡萄糖和蔗糖信号已有较多的研究，但果糖信号的研究尚属空白。我们发现，高浓度的糖抑制拟南芥幼苗发育的糖敏感表型鉴定方法，同样适用于果糖。通过对葡萄糖敏感突变体进行果糖敏感性鉴定，发现果糖敏感性独立于葡萄糖感受体HXK1，表明存在着独立的果糖信号新途径，该途径与ABA 信号途径和乙烯信号途径的互作方式与HXK1 介导的葡萄糖信号途径类似。为了揭示果糖信号途径的分子机理，我们采用了对果糖敏感性有显著差异的两种生态型（Ler 和Cvi）构建的重组自交系群体，定位了7 个果糖敏感的QTL，通过与先前定位的葡萄糖敏感QTL 进行比较，发现了4 个果糖特异的QTL，利用近等基因系确认了位于第5染色体的FSQ6 的果糖特异性。遗传分析结果表明，FSQ6 的Cvi 等位基因是显性基因。采用QTL 图位克隆策略，将FSQ6 精细定位在11kb 的区域内。通过转基因互补，证明了FSQ6 基因是一个具有膜系留结构域的NAC 转录因子ANAC089。FSQ6/ANAC089 的Cvi 等位基因（ANAC089-Cvi）是一个功能获得性的等位基因，具有抑制果糖信号的功能，该等位基因的第三外显子中发生了1-bp缺失，导致蛋白质翻译提前终止，从而产生了缺失膜系留结构域的ANAC089 蛋白质，该蛋白质能直接进入细胞核，且具有转录激活活性。而具有膜系留结构域的Ler ANAC089 蛋白虽然具有转录激活活性，但只能滞留在细胞质中，不能进入细胞核行使转录因子的功能。该研究于2011 年发表在《Proc Natl Acad SciU S A》上。