拟南芥RNA聚合酶Ⅱ第三大亚基NRPB3调控气孔图式发育和分化

摘要

气孔由一对保卫细胞构成，广泛存在于植物地上部分几乎所有器官的表皮。膨压驱动的气孔开闭控制着植物与外界的气体交换，调节植物的光合作用和水分利用。在植物从水生到陆生的进化历程中，气孔发挥了重要的作用。气孔发育是研究图式形成和细胞分裂分化的理想模型，其主要遗传调控信号网络已被揭示。然而，该信号如何传递到RNA聚合酶II（Pol II）调控气孔发育还不得而知。在真核生物中，Pol II负责转录mRNA、大部分snRNA和microRNA。拟南芥RNA聚合酶II由12个亚基组成，其亚基的T-DNA插入纯合体致死，表明Pol II对于植物的生长发育至关重要。尽管Pol II在mRNA转录中的基本功能已被了解，但其在植物细胞分化中的其他作用还知之甚少。
　　本论文克隆到RNA聚合酶II第三大亚基(NRPB3)的一个部分功能缺失突变体，其气孔密度和气孔簇数目都显著升高。NRPB3在气孔系细胞中广泛表达。NRPB3蛋白定位于细胞质和细胞核。GVG-NRPB3RNAi和 amiR-NRPB3植株均形成气孔簇，表达TMMpro::nucGFP的小细胞团和表达MUTEpro::GFP的“毛毛虫”样结构，表明NRPB3对于抑制气孔系细胞的分裂是必需的。遗传分析显示nrpb3分别加剧了气孔发育突变体tmm、er erl1 erl2、erl1 erl2、er105 erl2、er105、epf2、sdd1、flp、fama、ice1、mute等的表型，表明 NRPB3与这些基因协同调控气孔的图式发育和分化。蛋白互作实验表明NRPB3能够分别与FAMA和ICE1互作，而突变的nrpb3减弱了其相互作用。而且，在 GVG-NRPB3RNAi、amiR-NRPB3和FAMApro::amiR-NRPB3植株中，观察到类似fama和ice1突变体中“毛毛虫”样的结构表达FAMApro::nucGFP，进一步在遗传上证明NRPB3与FAMA、ICE1相互作用。这些实验结果表明，NRPB3能够直接接收转录因子FAMA和ICE1调控的气孔发育信号。该过程与动物 Pol II第三大亚基 RPB3和 bHLH转录因子myogenin互作调控肌肉细胞分化的机制相似。
　　本研究不仅建立了关键转录装置（Pol II）与一个特异发育信号（气孔发育信号）的直接联系，而且进一步拓展了对保卫细胞与肌肉细胞选择类似分化机制的认识。

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第一章 文献综述

1.1 气孔发育研究进展

1.2 RNA聚合酶及转录复合物介导的信号转导

1.3 本文研究意义

第二章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第三章 实验结果与分析

3.1 一个新的气孔突变体nrpb3-1的表型分析与基因克隆

3.2 nrpb3-1是一个部分功能缺失突变体

3.3 NRPB3超表达植株无发育缺陷表型

3.4 在野生型中干扰NRPB3的表达导致气孔图式发育和分化缺陷

3.5 NRPB3的组织表达模式和亚细胞定位

3.6 NRPB3调控气孔发育基因的表达

3.7 NRPB3与气孔图式发育基因协同调控气孔发育

3.8 NRPB3与FAMA、FLP、ICE1和MUTE协同限制气孔系细胞分裂

3.9 NRPB3能够与FAMA和ICE1直接互作

3.10 NRPB3与FAMA、ICE1、FLP/MYB88共同限制GMC的分裂

3.11 NRPB3在气孔发育的每个阶段广泛发挥功能

3.12 RNA聚合酶II的第二大亚基NRPB2也参与气孔发育

第四章 讨论

4.1 NRPB3广泛调控细胞分裂

4.2 NRPB3与已知气孔发育信号通路基因协同互作调控气孔发育

4.3 NRPB3与Mediator互作广泛介导转录因子调控的遗传发育信号

4.4 NRPB3能够直接与转录因子互作接收其调控的遗传发育信号

4.5 NRPB3与bHLH转录因子FAMA和ICE1互作介导气孔发育信号

4.6 植物气孔分化类似动物肌肉细胞分化机制

4.7 结论

参考文献

附录

附表1.本研究用到的引物序列。

在学期间研究成果

致谢