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根毛是植物根表皮细胞向外突起伸长形成的管状结构,在植物吸收水分、营养物质及与外界环境相互作用的过程中发挥重要功能。此外,作为典型的进行顶端生长的植物细胞,根毛是真核细胞中研究细胞极性建立、维持以及形态发生的模式系统之一,对根毛顶端生长调控机制的研究具有重要的生物学意义。研究表明,根毛细胞的顶端生长受Ca2+、囊泡运输、细胞骨架、小G蛋白、活性氧等多种因素调控。ROP GTPases是一类植物中特有的小G蛋白,参与调控植物生长发育的众多生理过程。ROP GTPases作为细胞中重要的分子开关,其活性的精密调控对于发挥功能至关重要。研究表明ROPs参与调控拟南芥根毛的生长发育。其中ROP2定位于根毛的起始部位以及生长根毛的顶端质膜(Plasma membrane,PM)上,调控根毛的起始以及极性生长。本实验室之前报道MAP18(Microtubule-associated protein 18)是既能结合微管又能结合微丝的蛋白,在进行极性扩张性生长的叶片铺板细胞和下胚轴表皮细胞中作为微管的去稳定因子调控周质微管的组织动态,进而调节细胞的极性生长;而在进行顶端生长的花粉管中,MAP18通过其钙依赖的切割微丝活性调控微丝的组织动态,调节花粉管的生长方向。MAP18在根毛中有很高的表达水平,暗示了 MAP18很可能在根毛中发挥重要生理功能。本论文通过观察MAP18与ROP2单突变体、双突变体及过量表达植株的根毛表型发现MAP18有可能参与ROP2信号途径对根毛顶端生长的调控。此外,体内与体外的生化实验证据表明MAP18可以与ROP2直接结合,并且更倾向结合无活性形式的ROP2(包括与GDP结合的ROP2和负显性突变的DN-ROP2)。体外效应子结合实验和体内GFP-ROP2定位的观察及量化分析表明,MAP18能够正调控根毛顶端ROP2的活性。进一步的研究显示MAP18是通过与AtRhoGDI1/SCN1(RhoGTPase GDP dissociation inhibitor 1/Supercentipede 1)竞争结合无活性的 ROP2,从而有利于根毛顶端ROP2的激活,调控根毛的生长发育。随后又对MAP18氨基酸序列进行比对分析,并构建了MAP18截断突变体蛋白进行功能结构域的研究,发现MAP18蛋白N端的23个氨基酸(N23)是MAP18与ROP2作用的关键片段,截除N23片段后的MAP18△N23蛋白不能与ROP2结合,也不能与AtRhoGDI1/SCN1竞争结合无活性的ROP2。同时利用MAP18的VEEKK基序点突变蛋白进行研究发现,丧失MAP18切割微丝的活性并不会影响其与无活性的ROP2的结合,结合药理学实验,本研究认为MAP18对根毛中ROP2活性的调控独立于MAP18与微丝和微管的相互作用。此外,本论文还发现MAP18在根毛顶端也能切割微丝调控微丝的组织动态,影响根毛中细胞核的正确定位。综上所述,本论文发现MAP18在根毛中既能作用于微丝骨架调控细胞核的正确定位,也参与ROP2信号途径调控根毛的顶端生长。MAP18通过与ROP2活性的负调控因子AtRhoGDI1/SCN1之间的竞争作用,调节根毛顶端ROP2活性,以及根毛的顶端生长。本研究阐述了 MAP18参与ROP2信号途径调控根毛生长的机制,也揭示了植物细胞极性生长调控中,对于ROPs活性调控的新机制,有助于深入理解植物细胞极性生长和形态建成的调控机理以及真核细胞中Rho GTPases的信号转导机制,具有重要的科学理论意义。