复苏植物牛耳草脱水胁迫下内质网应激反应的调控机制

The endoplasmic reticulum quality control (ER-QC) is an important mechanism for maintaining homeostasis in the endoplasmic reticulum (ER). Under stress, breaking down of homeostasis in the ER trigger the ER stress response. Excessive ER stress response will lead to apoptosis. Resurrection plant Boea hygrometrica can tolerant desiccation after drought acclimation.ER stress occurs during dehydration, however,apoptosis is inhibited so that the cells Boea hygrometrica can survive and resurrected after rehydration. In order to understand the regulatory mechanism of ER stress pathway in Boea hygrometrica,three issues will be addressed in this project: ① The correlation between the course of water deprivation and the extent of ER stress and cell apoptosis, ② the effect of ER stress inducer on desiccation tolerance and apoptosis in fresh and drought acclimated Boea hygrometrica leaves，and ③ function and regulation mechanism of key components of the ER stress signaling pathways and the ER-QC in fresh and drought acclimated Boea hygrometrica. The results would lay the foundation for the research on reestablishment of protein homeostasis, and expand and deepen our understanding on the mechanisms of desiccation tolerance of resurrection plants from the aspect of regulation of ER stress and inhibition of ER stress induced cell death.

内质网质量控制(ER-QC)是维护内质网基质中蛋白的合成和转运动态平衡的重要机制。细胞受胁迫时，ER-QC平衡机制被打破引发内质网应激反应(ER stress response)。但过度的内质网应激反应会导致细胞凋亡。复苏植物牛耳草在干旱锻炼后叶片获得耐干性，细胞严重脱水时虽然发生内质网应激，但仍可存活并复苏，其中机制尚未见报道。针对此科学问题，本项目拟进行三方面研究：①脱水程度与内质网应激及细胞凋亡发生的时间和程度之间的对应关系；②干旱锻炼前后的牛耳草叶片中，内质网应激诱导剂处理对耐脱水性和细胞凋亡发生程度及相关基因表达的影响；③内质网应激信号途径和ER-QC的关键成分在干旱锻炼前后的牛耳草脱水胁迫下的表达调控与功能及作用机制。本研究首次关注复苏植物在脱水胁迫下细胞内蛋白折叠转运的动态平衡重建的机理，将从控制内质网应激反应、抑制细胞凋亡的角度扩展和加深对复苏植物耐干复苏机制的理解。

内质网质量控制(ER-QC)是维护内质网基质中蛋白合成和转运动态平衡的重要机制。本项目针对复苏植物牛耳草的ER-QC 调控机制进行研究，并获得以下主要研究结果：.1. 在前期脱水胁迫诱导的牛耳草转录组数据分析的基础上，重点比较了牛耳草在不同脱水条件下的细胞死亡、自噬的细胞学特征和自噬标记基因表达水平，及蛋白QC基因表达水平 。结果显示，未干旱端锻炼的植株在快速脱水处理后大量细胞死亡，干旱锻炼的植株中，快速脱水引起的细胞死亡被抑制；未干旱锻炼植株中自噬不明显，干旱锻炼的植株中自噬更加活跃；未干旱锻炼植株在快速干旱时编码定位于细胞质、叶绿体和细胞核的分子伴侣基因表达受抑制，UPR基因表达显著上调，干旱锻炼的植株在快速干旱时前述基因高水平表达，而UPR基因表达被抑制。.2. 克隆牛耳草中UPR途径关键因子基因BhbZIP60，并分析其在耐脱水性中的功能。结果显示BhbZIP60与其同源基因一样存在 mRNA剪切方式；BhbZIP60剪切形式过表达赋予转基因拟南芥耐受水分胁迫能力，并且使拟南芥中BiP2、BiP3、CNX1 和 sPDI基因表达上调；并能部分互补拟南芥bzip60的分子表型。BhbZIP60未剪切和剪切形式mRNA水平在脱水胁迫和内质网应激条件下均上升，且未剪切和剪切形式蛋白均可以进入细胞核。BhbZIP60未剪切和剪切形式蛋白均能与ERSE和ERSE-II元件互作。.3. 克隆牛耳草中CPR途径热激蛋白基因BhHSP70-1，并分析其在QC调控中的作用，分析证明BhHSP70-1确实定位于细胞质和细胞核。其表达受脱水、甘露醇、热激、NaCl和ABA处理诱导。BhHSP70-1过表达赋予转基因拟南芥主根长度增加的表型，在正常生长条件及甘露醇、PEG和ABA处理下转基因株系主根长度长于野生型植株主根长度。BhHSP70-1过表达促进Hsp90.1和HsfA7a的表达，说明该基因可能参与CPR途径。同时BiP1、BiP2、BiP3、CNX1、CRT1等UPR途径标志基因也上调，表明该基因同时也影响了ER中蛋白质QC。.本研究首次证明细胞质和ER中的蛋白质QC调控同时参与了复苏植物牛耳草对脱水胁迫的耐性反应，因此从蛋白质稳定和细胞凋亡与自噬的调控的角度扩展和加深了对复苏植物耐脱水复苏机制的理解。