一个颠覆植物铝敏感性的类受体激酶的功能解析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31730006
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    302.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0204.水分和营养物质的运输与代谢
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Al toxicity is one of the key factors limiting crop productivity in acidic soils. Reducing Al accumulation in cell wall, and sequestrating Al inside cell into vacuole for compartmentation, are two major strategies for plants to confer high Al resistance. However, the molecular regulatory mechanisms of how plants coordinate these two processes are very poorly understood. In preliminary study, we isolated an Arabidopsis loss-of-function mutant R78 with extremely high Al resistance that harbors a mutation in a receptor-like kinase gene, and found that low concentration of Al had an obvious stimulation effect on root growth of R78 mutant. Moreover, Al accumulation in cell wall of root tips was greatly reduced, while Al content in cytoplasm was significantly increased in R78 mutant versus WT. Such subcellular distribution of Al in root was totally reversed by overexpression of R78 in WT, indicating that R78 is a key regulator coordinating the subcellular distribution of Al in plants and Al resistance. This project hence will employ techniques of RNA-seq analysis, protein interactions, genetic interactions and etc. to explore the upstream and downstream genes that act as putative Al receptor and regulator of Al distribution between cell wall and symplasm respectively, thus answering why the mutation of this gene reverses its response to Al toxicity; on the other hand, we will investigate the expression of R78’s homologous genes in diverse plant species including Al sensitive crops (barley and rape), Al resistant crop (rice) and acid and Al favorite plant (tea tree), meanwhile using overexpression and CRISPR methods to evaluate the function of these genes, so that we can characterize the role of R78 gene in plant evolutionary acclimating to acidic soils. Through the above studies, we hope to elucidate the fundamental role of R78 in plant resistant to Al toxicity and find a new direction to breed genetically modified crops that have super performance on acidic soils with no negative effects of Al toxicity, which thereby will have better root growth and resistant to other coexisting stresses in these soils.
铝毒是酸性土壤上限制作物生产的主要因素。减少铝在细胞壁中的积累以及将进入细胞内的铝进行区室化是植物高抗铝性的根本策略,但对协调这两种途径的调控机制仍不清楚。我们得到一个抗铝性极强且低浓度铝明显刺激根系生长的拟南芥类受体激酶突变体R78,该突变体根尖细胞壁铝含量明显降低,而共质体铝含量显著提高;超表达该基因后,上述分布发生逆转,说明该基因是通过调控细胞内铝分布而影响植物铝抗性的关键节点。本项目将运用转录组、蛋白互作以及遗传互作筛选等手段,挖掘该类受体激酶的上游受体和调控铝分布的下游功能基因,系统地解析其感受及协同消除铝毒的分子生理机制;此外,系统地分析该基因的同源基因在对铝敏感的大麦和油菜,对铝抗性较强的水稻及喜铝的茶树等植物中的表达情况,并通过基因操作技术,进行该基因的功能分析与验证,希望从进化的角度来阐明喜酸铝植物进化的分子基础,为从根本上解决酸性土壤上的铝毒问题指明新的方向。

结项摘要

铝毒是酸性土壤上限制作物生产的主要因素,也是酸沉降导致森林退化的重要因素。尽管植物的耐铝研究已有几十年之久,但植物如何感知铝离子,其受体是什么,这些最基本的科学问题仍然未知。本项目是在前期工作中得到了一个负调控铝抗性的胞质类受体激酶R78的基础上开展的,旨在解析其调控铝抗性的信号通路。在项目的资助下,我们证明了R78一方面通过潜在直接调控AHA蛋白的活性调节低铝条件下的根系生长,另一方面通过潜在调控MSL10活性以及间接调控细胞壁相关基因的表达来调节高铝胁迫下的抗铝性。同时我们进一步发现了与胞质受体激酶R78互作,且通过磷酸化调控其活性的受体激酶PSKR1(也命名为ALR1, Al Receptor 1),证明了PSKR1是首个铝离子受体,揭示了从铝离子感知到关键蛋白激活,到核心转录因子累积,再到下游抗铝反应启动的完整信号通路。研究发现了PSKR1胞内结构域可以识别铝离子,铝离子的结合促进PSKR1招募共受体蛋白BAK1等SERK激酶,进而增强PSKR1对NADPH氧化酶RbohD的磷酸化,促进活性氧ROS的产生;ROS通过氧化修饰F-box蛋白RAE1抑制后者对核心转录因子STOP1的泛素化降解,从而促进STOP1的蛋白累积,进而激活ALMT1等下游抗铝基因的表达来启动抗铝反应。此外,本项目通过解析苹果酸转运蛋白ALMT1的高分辨率结构,阐明了铝离子激活ALMT1转运苹果酸提高抗铝性的分子机制。因此,本项目揭示了植物从胞内和胞外两种途径感知铝离子并启动抗铝反应的分子机制。该研究成果在领域内具有里程碑的意义,为今后抗酸铝作物的定向育种提供了重要的理论依据。项目已发表标注SCI论文3篇,核心成果的论文Science期刊审稿中;获得发明专利1项,PCT专利已公布。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
STOP1介导多种逆境响应分子机制的研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    植物生理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马哲宇;高可可;李桂新;丁忠杰;郑绍建
  • 通讯作者:
    郑绍建
Structural basis of ALMT1-mediated aluminum resistance in Arabidopsis
拟南芥中 ALMT1 介导的铝抗性的结构基础
  • DOI:
    10.1038/s41422-021-00587-6
  • 发表时间:
    2021-11-19
  • 期刊:
    CELL RESEARCH
  • 影响因子:
    44.1
  • 作者:
    Wang, Jiangqin;Yu, Xiafei;Guo, Jiangtao
  • 通讯作者:
    Guo, Jiangtao

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其他文献

钾、尿素与有机物料或双氰胺配施
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    土壤通报,2006,36(1): 62-67
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    熊国华;林咸永;章永松;郑绍建
  • 通讯作者:
    郑绍建
植物适应铝毒胁迫的生理及分子生物学机理
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    应用生态学报,2004
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘强;郑绍建;林咸永
  • 通讯作者:
    林咸永
小麦根尖细胞壁对铝的吸附/解吸特性及其与耐铝性的关系
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    植物营养与肥料学报(录用)
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李刚;唐剑锋;罗湖旭;林咸永;章永松;郑绍建
  • 通讯作者:
    郑绍建
镉磷在小麦细胞内的积累和分布特性及其交互作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    南京农业大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨志敏;郑绍建;胡霭堂
  • 通讯作者:
    胡霭堂
Nitric oxide exacerbates Al-induced inhibition of root elongation in rice bean by affecting cell wall and plasma membrane properties.
一氧化氮通过影响细胞壁和质膜特性,加剧铝诱导的对米豆根伸长的抑制。
  • DOI:
    10.1016/j.phytochem.2011.12.004
  • 发表时间:
    2012-04
  • 期刊:
    Phytochemistry
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    周园;杨建立;郑绍建
  • 通讯作者:
    郑绍建

其他文献

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郑绍建的其他基金

拟南芥半纤维素多糖修饰对抗铝性的影响及其分子机制
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  • 项目类别:
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相似国自然基金

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相似海外基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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