非典型蛋白质胞吐外泌调控植物细胞极性产生和维系的时空作用规律和分子机制

Trans-Golgi network, a key organelle in protein sorting, packaging and transportation, plays essential roles in the conventional protein trafficking pathways. Our previous studies showed that there is a distinct unconventional protein exocytosis pathway which mediates the secretion of pectin methylesterase bypassing TGN in plants. Pectin methylesterase is a vital enzyme that participates in regulating the plant cell wall formation and rigidity. Nevertheless, a key unanswered question is what is the underlying regulation mechanism of the unconventional protein exocytic pathway during polar cell growth and cytokinesis. In this study, we will employ the newly developed Line Bessel Sheet light-sheet microscope and advanced image processing and analysis software to reveal the spatiotemporal biogenesis of the unconventional protein polar secretion in plant cells. In addition, we will use a combination of gene editing and mutation, organelle proteomic and genetic approaches to characterize the regulatory proteins and interacting receptors which mediate the unconventional protein polar exocytosis to better understanding it molecular working mechanisms in regulating the polarity of plant cells. Our studies will advance our current understandings of Golgi related protein secretion network in regulating cell polarity in plants.

反式高尔基网状体是细胞内蛋白质分选、包装和运输的主要核心细胞器，在经典蛋白质运输途径中发挥着重要的生物学功能。我们前期研究表明，植物细胞内存在一条非典型蛋白质胞吐外泌途径。它不经过反式高尔基网状体，直接由高尔基体介导细胞壁合成与刚性关键果胶甲酯酶的极性胞吐外泌，来调控细胞极性的产生和维系。但是，该非典型蛋白质胞吐外泌途径的生物发生规律，以及介导和调控它的分子作用机制都尚未被揭示。本项目拟采用最新的线性贝塞尔光片显微成像系统，通过五维高分辨影像技术揭示该非典型蛋白质胞吐外泌途径的生物发生和作用规律。同时，进一步结合基因编辑和突变、细胞器蛋白质组学和遗传突变等手段，探明介导与调控该非典型途径的受体蛋白和调控因子，阐明其在植物细胞极性产生和维系中的分子作用机制。本项目对高尔基体介导的蛋白质分泌网络调控细胞极性和细胞壁合成研究有重要理论价值。

反式高尔基网状体是细胞内蛋白质分选、包装和运输的主要核心细胞器，在经典蛋白质运输途径中发挥着重要的生物学功能。我们前期研究表明，植物细胞内存在一条非典型蛋白质胞吐外泌途径。它不经过反式高尔基网状体，直接由高尔基体介导细胞壁合成与刚性关键果胶甲酯酶的极性胞吐外泌，来调控细胞极性的产生和维系。但是，该非典型蛋白质胞吐外泌途径的生物发生规律，以及介导和调控它的分子作用机制都尚未被揭示。本项目采用了最新的线性贝塞尔光片显微成像系统，通过五维高分辨影像技术揭示该非典型蛋白质胞吐外泌途径的生物发生规律。进一步结合基因编辑和突变、细胞器蛋白质组学和遗传突变等手段，已探明介导与调控该非典型途径的受体蛋白和调控因子，阐明其在植物细胞极性产生和维系中的分子作用机制。此外，在本项目执行过程中，我们还发现了自噬体可与花粉管中的受损线粒体相互识别、互作和降解，对花粉管的极性生长和雄性育性进行质量调控。在极性生长的花粉管中，同时存在多条自噬途径来分别介导不同底物的识别和降解，以维系细胞的快速代谢和生长的需要。其中，自噬体可与细胞微丝骨架相互作用，调控花粉和花粉管中微丝骨架的空间稳态结构，影响花粉精细胞的生物发生和花粉管的导向性生长，阐明了自噬体通过与微丝骨架的互作调控拟南芥雄性育性和受精的分作用机制。本项目对细胞器功能互作与交流研究有重要理论价值。