Plant Cell | 西北农林科技大学郁飞课题组揭示拟南芥微管动态调控的关键机制

责编 | 王一

细胞和器官形态的可塑性赋予植物适应复杂多变环境的能力。微管细胞骨架调控细胞和器官形态建成，在植物发育、以及植物对环境响应过程中具有重要功能。植物细胞在进化中形成了多种植物特有的微管阵列，包括间期细胞中的周质微管阵列，以及分裂期细胞中的早前期带和成膜体微管阵列。微管结合蛋白调控微管动态和微管阵列的组织方式，赋予微管响应细胞内外信号，行使其生物学功能的能力。MAP215微管聚合酶/成核因子和katanin微管切割蛋白复合体是两类在动植物中广泛存在和保守的微管结合蛋白，在微管动态调控中具有重要功能。拟南芥中，编码MAP215的MOR1基因是植物生长发育的必需基因，编码katanin复合体催化亚基的KTN1是微管阵列动态变化的核心调控因子，但MOR1与KTN1是否协同作用调控微管动态尚不清楚。

2022年5月17日，西北农林科技大学生命科学学院和未来农业研究院郁飞教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为“MOR1/MAP215 acts synergistically with katanin to control cell division and anisotropic cell elongation in Arabidopsis”的研究论文，揭示了植物MAP215家族微管结合蛋白MOR1在活细胞中的微管定位特征，解析了MOR1与微管切割蛋白KTN1的遗传、物理和功能互作关系，揭示了MOR1与KTN1协同调控细胞分裂和细胞各向异性扩张的分子机制。

该研究通过微管解聚药物propyzamide超敏感突变体的筛选，获得了MOR1基因的一个新的非致死等位突变体mor1-10。构建了由内源启动子控制MOR1-GFP融合基因表达的植物转化载体，并成功回复了mor1-10，开展了活体植物中MOR1的微管定位特征的实时动态成像，解决了由于无法直接观察拟南芥活细胞中MOR1的动态特征对MOR1功能研究的阻碍。在间期细胞中，MOR1-GFP定位于周质微管，并在微管正端显著富集，在分裂期细胞中，MOR1-GFP信号均匀分布于早前期带、纺锤体和成膜体微管。mor1-10突变体中周质微管正端的动态性下降。遗传和功能互作研究表明，分裂期细胞中MOR1与KTN1协同调控早前期带和成膜体微管阵列的形成，进而影响细胞分裂平面的精确定位；在间期细胞中，MOR1与KTN1协同调控细胞各向异性扩张。进一步研究发现，MOR1和KTN1的蛋白物理互作是二者遗传和功能互作的基础，mor1-10突变体中，katanin介导的微管切割频率显著下降，微管切割所需的时间显著增加。比较WT和mor1-10突变体中KTN1的动态特征，发现MOR1促进KTN1被招募至微管切割位点。本研究揭示了MOR1-KTN1这一微管动态调控的关键功能单元，增进了对植物微管结合蛋白互作机制和微管动态调控机理的认识。

郁飞课题组近年在植物微管细胞骨架调控研究中取得了一系列进展，发现了ABS6/AtIQD16是一个微管结合蛋白，ABS6中的DUF4005结构域是一个新的微管结合结构域，ABS6与KTN1促进微管切割，进而调控拟南芥细胞和器官形态（Li et al., 2021; Li et al., 2021）。

西北农林科技大学生命科学学院博士研究生陈煜与刘夏燕教授为该论文共同第一作者，郁飞教授为通讯作者。西北农林科技大学生命科学学院教学科研平台范宁娟博士为该研究提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金和陕西省杰出青年科学基金项目的资助。

参考文献：

Li, Y., Deng, M., Liu, H., Li, Y., Chen, Y., Jia, M., Xue, H., Shao, J., Zhao, J., Qi, Y., An, L., Yu, F., Liu, X. (2021). ABNORMAL SHOOT 6 interacts with KATANIN 1 and SHADE AVOIDANCE 4 to promote cortical microtubule severing and ordering in Arabidopsis. J. Integr. Plant Biol. 63, 646-661.

Li, Y., Huang, Y., Wen, Y., Wang, D., Liu, H., Li, Y., Zhao, J., An, L., Yu, F., Liu, X. (2021). The domain of unknown function 4005 (DUF4005) in an Arabidopsis IQD protein functions in microtubule binding. J. Biol. Chem. 297, 100849.

https://doi.org/10.1093/plcell/koac147