玉米Proline responding 1(pro1)突变在蛋白合成和细胞周期调控中起到关键作用

上海大学生命科学学院、上海市能源作物育种及应用重点实验室的研究人员证实，玉米Pro1基因(Zm P5CS2)的突变造成了突变体细胞中脯氨酸(proline)合成受阻，从而导致proline积累的减少。突变体中proline的缺乏引起了相应的转运RNA(tRNA^{pro AGG})空载形式(uncharged tRNA^{pro AGG})的增多，从而激活了细胞中的GCN2激酶，该激酶通过磷酸化真核生物翻译起始因子eIF2α从而抑制了细胞中蛋白合成的普遍抑制；另一方面，突变体中proline的缺乏也引起了细胞周期相关基因、DNA复制相关基因以及细胞增殖相关基因表达的下调，从而抑制了细胞周期从G1到S期的转换。这一成果2014年6月20日在线发表于“The Plant Cell”(《植物细胞》)杂志上。

上海大学生命科学学院、上海市能源作物育种及应用重点实验室的王刚副教授和宋任涛教授分别是本文的第一作者和通讯作者。

背景介绍

玉米（Zea mays  L.）既是重要的粮食和饲料作物，又是禾本科中一个重要的分子生物学与遗传学研究的模式植物。在玉米中，一系列能够引起玉米籽粒出现粉质胚乳表型的opaque和floury突变基因都已经被定位在玉米染色体的相应区域。已经克隆的opaque和floury突变基因的功能分析部分解析了醇溶蛋白合成调控的分子机理以及醇溶蛋白合成与籽粒opaque和floury表型形成的关系。已有研究表明，玉米中大多数的opaque和floury基因(如o2, fl2, Mc和De-B30)通过影响醇溶蛋白的调控基因或者结构基因从而调控了醇溶蛋白的合成。相应地，通过RNA干扰(RNA interference, RNAi)的方式直接下调醇溶蛋白结构基因(α-, β-, γ-或δ-醇溶蛋白基因)的表达均可以引起籽粒形成opaque和floury表型。然而，玉米中诸如o1, o5和fl1这些突变体籽粒中醇溶蛋白的含量并未发生明显地改变，这些突变体opaque和floury表型主要是由蛋白体形成和包装的异常引起的。Motto等(1996)认为还存在其它的调控机制，如氨基酸供给的异常也可能通过影响醇溶蛋白的合成从而造成opaque突变表型。近年来克隆的Mto140和O7基因的功能分析表明，氨基酸供给的限制也会引起醇溶蛋白合成的抑制，但是调控机理尚不明确。

文章亮点

脯氨酸虽然在多数生物体内并非必需氨基酸，但其在机体内，尤其是高等植物体内具有极为重要的生理功能。之前的研究认为，脯氨酸在高等植物的抗胁迫作用中扮演着极为重要的角色。近年以来，越来越多的研究表明，脯氨酸在体内可以作为一种信号分子而对高等植物的生长和发育进行调节。脯氨酸作为细胞内的游离氨基酸和蛋白合成的成分，在细胞代谢和植物生长发育中扮演着关键的角色，然而其作为信号分子的调控机制尚不明确。Pro1突变基因的克隆和功能分析解析了脯氨酸在植物生长发育过程中对蛋白合成和细胞周期G1到S期转换的调控机制。

结果分析

pro1突变体造成粉质胚乳和苗期致死表型

1975年，Giuseppe Gavazzi等人描述了一种条件致死型的，由单基因控制的玉米籽粒的隐性突变体。纯合的pro1突变籽粒的外观呈现出发育不良、皱缩以及不透光的opaque表型(Figure 1A,B,C,D)以及淀粉、油脂和蛋白合成的减少(Figure 1G,H,I)。若将突变籽粒进行种植，与正常植株相比较，pro1突变体幼苗的植株矮小，株高只有同一时期野生型株高的20%左右，根长只有同一时期野生型株高的25%左右(Figure 1E,F,J)。此外，pro1突变体其幼苗一般在发育到两叶期时生长受到严重抑制，继而发生坏死导致死亡。在加入外源L-脯氨酸的培养基上进行培养时，突变体幼苗可以回复到野生型表型，越过两叶期继续生长。因此，研究人员将这个新发现的突变体命名为Pro1突变。

Figure 1 Phenotypic Features of Maize prol1 Mutants.

(A) F₂ ear of pro1-ref × Chang 7-2. bar: 1cm.

(B) Wild type and mutant kernels randomly selected from F₂ ears of pro1-ref × Chang 7-2 viewed on a light box. bar: 1cm.

(C) Wild type and (D) pro1-ref kernels. bar: 1cm.

(E) and (F) Phenotype of wild type and pro1-ref seedlings (14 DAG). bar: 2cm.

(G), (H) and (I) comparison of starch, lipid and protein (total protein, zein and nonzein) accumulation in wild type and pro1-ref kernels. For each sample, three independent biological replicates were performed. Bars represent average values ± SD, n=3 replicates (No refers to P > 0.05, * refers to P < 0.05, ** refers to P < 0.01, Student’s test), wt, wild type; pro1, pro1-ref.

(J) Comparison of seedling height and root length of wild type and pro1-ref. Bars represent average values ± SD (n=20 seedlings per genotype, ** refers to P < 0.01, Student’s test). wt, wild type; pro1, pro1-ref.