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植物激素乙烯信号转导研究

植物分子遗传国家重点实验室

专注于植物激素乙烯信号转导, 从而衍生并发现新的相关基础科学问题, 解析乙烯信号转导的多层次调控,阐述植物通过多层次微调乙烯信号途径所产生的可塑性以应对外界多变的环境, 以及参与植物的各个生长发育过程。我们的研究内容包括:

(1)乙烯信号途径中独立于CTR1的受体信号输出机制，以及该途径与已知途径的整合;
经典的乙烯信号途径起始于乙烯受体与下游Raf-Like蛋白CTR1互作, 激活CTR1, CTR1进而对下游乙烯信号组分EIN2进行磷酸化, 抑制EIN2传递乙烯信号。当感受乙烯时，受体无法激活CTR1，使得EIN2发生功能未知的蛋白剪切, EIN2羧基端入核传递乙烯信号而激活下游转录因子EIN3发生乙烯响应基因表达, 诱导乙烯响应。 我们发现，乙烯受体ETR1的氨基端能够在CTR1失活或是不存在的条件下输出受体信号, 抑制下游的乙烯信号途径, 该途径依赖于上游的RTE1蛋白。我们研究该替代途径如何与经典的途径发生联系，协同调控乙烯信号转导。

(2)乙烯信号组分EIN2已知作用机理的重新解析;
目前的乙烯信号转导模型认为EIN2蛋白的磷酸化与其功能呈负相关, 即非磷酸化状态EIN2发生蛋白剪切, 促使其羧基端入核, 激活乙烯信号传递。 我们的研究发现，EIN2蛋白的磷酸化状态与其功能并无绝对相关性存在, 其羧基端入核状态与乙烯信号传递的相关性还需要进一步确定。我们還分析EIN2在替代途径中的功能, 建立与现有模型不同的乙烯信号转导模型，重新定义EIN2蛋白在现有模型中的地位。

(3)不同物种中乙烯信号组分冗余性与蛋白组丰富性差别的生物学意义, 以及基因冗余度低的物种如何丰富其蛋白组信息, 以增强其适应性;
遗传冗余性是物种增加蛋白组丰度以及生存适应性的一种方式; 乙烯信号途径中, 拟南芥的CTR1与EIN2均为单一拷贝基因所编码的蛋白, 而水稻以及其他不同物种多由多基因编码。相对于这些物种, 拟南芥的低度冗余性理论上限制其蛋白组丰度以及生存适应性。我们的研究揭示, 拟南芥能够在遗传冗余性限制的情况下, 扩增其蛋白组丰度，从而增加其生存适应性, 相关机制正在研究之中。

(4)基因5’-UTR区域对于蛋白翻译调控的影响；
一个完整的基因除了编码框之外, 還包括启动子, 5’-UTR以及3’-UTR区域。在动物的研究中发现, 5’-UTR区域能够影响基因的蛋白翻译，以及该转录本的稳定性, 具有一定的基因表达调节作用。我们的研究发现, 部分的乙烯信号组分相关基因也具有此特性。我们分析参与基因5’-UTR调控的组分与机制, 从而揭示乙烯信号途径不同层次的调控过程；该研究更具有普遍性的科学意义

1.发现独立于CTR1的乙烯受体信号输出机制：乙烯受体ETR1的氨基端能够介导受体信号输出, 并独立于下游Raf-like蛋白CTR1, 而依赖于ETR1互作蛋白RTE1的作用。该研究揭示了RTE1在乙烯信号途径中的地位, 以及受体氨基端, 而非羧基端的组氨酸激酶域, 能够参与受体信号输出, 从而抑制乙烯信号转导。

2.证实不同的乙烯受体蛋白之间存在协作, 而不同的蛋白isoforms之间的协作性不同, 从而达到不同强度的受体信号输出的目的, 达到微调乙烯响应强度的作用。与先前报道不同的是我们发现乙烯受体ETR1蛋白不依赖双硫键形成二聚体仍然能够输出受体信号, 而受体互作发生于受体蛋白的GAF功能域。

3.乙烯对于水稻生长发育的作用：水稻是重要粮食作物, 了解植物乙烯对于水稻农艺性状有助于水稻品种改良以及栽培管理, 更有助于我们了解乙烯在水稻各方面的生物学作用。我们通过正向以及反向遗传学分析乙烯对于水稻生长发育的重要性。然而，囿于水稻乙烯信号组分相关基因的冗余性, 相关性状大多在幼苗期表现, 而无法從整个生长过程中体现。我们也获得多突变体并分析相关冗余基因的作用, 从而进一步阐述乙烯参与的水稻生长发育过程及其重要性。

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