植物細(xì)胞極性信號(hào)調(diào)控傅纓植物生理學(xué)與生物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第1頁(yè)植物是由形形色色細(xì)胞組成植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第2頁(yè)科學(xué)問(wèn)題?什么是細(xì)胞極性？?細(xì)胞極性主要性是什么？?細(xì)胞極性是怎樣產(chǎn)生？?細(xì)胞極性是怎樣被調(diào)控？植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第3頁(yè)什么是細(xì)胞極性？?從廣義上來(lái)說(shuō)，是細(xì)胞內(nèi)存在不對(duì)稱性。植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第4頁(yè)?細(xì)胞極性是細(xì)胞正常行使功效基礎(chǔ)。細(xì)胞極性主要性植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第5頁(yè)合子原胚

?各種形式細(xì)胞極性是植物發(fā)育、生 長(zhǎng)和形態(tài)建成基礎(chǔ)，貫通生命周期 每個(gè)階段。有極性細(xì)胞分裂（polarizedcelldivision） 或不對(duì)稱分裂（asymmetricdivision）

卵細(xì)胞有極性細(xì)胞擴(kuò)張（polarizedcellexpansion）蛋白、細(xì)胞器等在細(xì)胞內(nèi)極性定位植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第6頁(yè)有極性細(xì)胞分裂（polarizedcelldivision）或不對(duì)稱分裂（asymmetricdivision）有極性細(xì)胞擴(kuò)張（polarizedcellexpansion）蛋白、細(xì)胞器等在細(xì)胞內(nèi)極性定位植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第7頁(yè)有極性細(xì)胞分裂（polarizedcelldivision）或不對(duì)稱分裂（asymmetricdivision）有極性細(xì)胞擴(kuò)張（polarizedcellexpansion）蛋白、細(xì)胞器等在細(xì)胞內(nèi)極性定位植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第8頁(yè)細(xì)胞極性形成極性信號(hào)極性建立、維持植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第9頁(yè)頂端生長(zhǎng)細(xì)胞極性擴(kuò)張生長(zhǎng)

細(xì)胞極性調(diào)控機(jī)制植物中研究細(xì)胞極性調(diào)控模式系統(tǒng)

Pollentube植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第10頁(yè)植物中研究細(xì)胞極性調(diào)控模式系統(tǒng)卵細(xì)胞合子

原胚保衛(wèi)細(xì)胞分化細(xì)胞內(nèi)分子極性公布極性分裂（不對(duì)稱分裂）植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第11頁(yè)真核生物調(diào)控細(xì)胞極性通用機(jī)理？！極性信號(hào)RhoGTPase極性建立、維持細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)囊泡運(yùn)輸植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第12頁(yè)真核生物中主要信號(hào)分子－小G蛋白小G蛋白：Smallguaninenucleotide-bindingproteins或SmallGTPases單體分子分子量較小（20－30kDa）含有鳥(niǎo)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)有GTP酶活性功效受鳥(niǎo)核苷酸調(diào)整分子開(kāi)關(guān)植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第13頁(yè)RASSuperfamily真核生物中主要信號(hào)分子－小G蛋白

RASRHORAB/YPTARFRAN真菌與動(dòng)物植物（擬南芥）

SubfamiliesofRHOGTPase

Zheng&Yang..PlantMolBiol.44:1-9ROP:RholikeGTPaseofPlants植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第14頁(yè)效應(yīng)子PiGAPROP-GTP

開(kāi)GEFGDP-ROP

關(guān)GDP-ROPGDI信號(hào)

GeneexpressionVesicular

Cytoskeletal organizationGDI:guaninenucleotidedissociationinhibitorGEF:guaninenucleotideexchangefactorGAP:GTPase-activatingprotein

Stress responsesHormoneresponses

Polarityestablishment

traffickingPolargrowth分子開(kāi)關(guān)（molecularswitch）植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第15頁(yè)DN(DominantNegative)mutant

GDP-ROP

關(guān)

負(fù)顯性突變體CA(ConstitutivelyActive)mutant

ROP-GTP

開(kāi)

組成激活型突變體研究ROP功效好工具植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第16頁(yè)ROP調(diào)控花粉管頂端生長(zhǎng)

WTROP1CA-rop1DN-rop1植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第17頁(yè)ROP調(diào)控根毛頂端生長(zhǎng)500um

WT500um

DN-rop2200um

CA-rop2植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第18頁(yè)ROP調(diào)控細(xì)胞極性擴(kuò)張生長(zhǎng)WTCA-rop2DN-rop2植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第19頁(yè)DN-rop2WTCA-rop2ROP調(diào)控合子極性建立植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第20頁(yè)ROP極性定位決定細(xì)胞極性GFP-RIC4?C標(biāo)識(shí)有活性ROP1HwangMBC-FigS3.movHwangetal.,MolecularBiologyoftheCell16,5385–5399植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第21頁(yè)ROP極性定位決定細(xì)胞極性Hwangetal.,MolecularBiologyoftheCell16,5385–5399HwangMBC-FigS5.movHwangMBC-FigS3.mov植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第22頁(yè)

囊泡運(yùn)輸（vesiculartrafficking）

胞吐（Exocytosis）

胞吞（Endocytosis）植物細(xì)胞經(jīng)過(guò)胞吐將生長(zhǎng)所需質(zhì)膜和細(xì)胞壁合成原料運(yùn)輸?shù)教囟ú课?，?xì)胞極性生長(zhǎng)。

ColeandFowler,植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第23頁(yè)YFP-RabA4d標(biāo)識(shí)囊泡GFP-RLK（在質(zhì)膜上定位）ROP調(diào)控細(xì)胞胞吐作用Leeetal.,J.CellBiol.Vol.181No.71155–1168熒光漂白恢復(fù)法（FRAP）植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第24頁(yè)對(duì)照（qrt1）Sec5Sec6Exocyst復(fù)合體成員極性公布于花粉管頂端 胞吐復(fù)合體組員 被突變后，花粉 管極性和頂端 生長(zhǎng)受到抑制Halaetal.,ThePlantCell,Vol.20:1330–1345,May,植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第25頁(yè)極性信號(hào)

ROP調(diào)控細(xì)胞胞吐作用ICR1是與ROP直接結(jié)合效應(yīng)子，ICR1同Exocyst復(fù)合體組員SEC3結(jié)合，調(diào)控

細(xì)胞形狀。

RhoGTPase

細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài) 囊泡運(yùn)輸

YN-ICR1＋YC-AtSEC3極性建立、維持

Bimolecularfluorescence complementation(BiFC)植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第26頁(yè)

囊泡運(yùn)輸（vesiculartrafficking）

胞吐（Exocytosis）

胞吞（Endocytosis）Fluorescentlymodifiedphospholipid,bis-BODIPYFLC11-PC,treatedpollentube植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第27頁(yè)WT成激活型ROP抑制胞吐作用，造成根毛細(xì)胞失去極性

CA-rop11

Blochetal.,MolecularBiologyoftheCell Vol.16,1913–1927,AprilFM4-64ROP調(diào)控細(xì)胞胞吞作用

胞吐作用對(duì)于根毛細(xì)胞維持 極性是必要，過(guò)量表示組植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第28頁(yè)效應(yīng)子

Exocyst極性化胞吐 作用胞吞作用效應(yīng)子?極性生長(zhǎng)

調(diào)控細(xì)胞極性生長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑

極性信號(hào)

ActiveROPCapRhoGTPase

細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài) 囊泡運(yùn)輸極性建立、維持植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第29頁(yè)from:Albertsetal.1994MBOC微管：Microtubules(MTs)微絲：Microfilaments(MFs)orF-actin細(xì)胞骨架對(duì)細(xì)胞極性和形狀至關(guān)主要Thecytoskeleton,acomplexnetworkofpolymers植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第30頁(yè)通常，干擾細(xì)胞內(nèi)微管動(dòng)態(tài)造成細(xì)胞擴(kuò)張失去方向性（極性），形成膨大細(xì)胞。而干擾細(xì)胞內(nèi)微絲動(dòng)態(tài)，影響細(xì)胞生長(zhǎng)擴(kuò)張，所以形成較小細(xì)胞。植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第31頁(yè)植物細(xì)胞中微絲GFP-ABD2植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第32頁(yè)花粉萌發(fā)過(guò)程中微絲骨架改變植物細(xì)胞中微絲植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第33頁(yè)P(yáng)hil.Trans.R.Soc.Lond.B()357,815–821RachelJ.CarolandLiamDolan植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第34頁(yè)頂端生長(zhǎng)模式系統(tǒng)－花粉管研究實(shí)例一植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第35頁(yè)F-actiningrowingpollentube花粉管頂端含有高度動(dòng)態(tài)改變著微細(xì)微絲Fuetal.,TheJournalofCellBiology,,Volume152,1019–1032植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第36頁(yè)WTROP1OEROP調(diào)控細(xì)胞中促進(jìn)極性生長(zhǎng)微細(xì)微絲動(dòng)態(tài)改變Fuetal.,TheJournalofCellBiology,,Volume152,1019–1032植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第37頁(yè)WTROP1OEROP1OE+LatB

保持微細(xì)微絲動(dòng)態(tài)改變至關(guān)主要！Fuetal.,TheJournalofCellBiology,,Volume152,1019–1032植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第38頁(yè)花粉管中調(diào)控微細(xì)微絲動(dòng)態(tài)改變ROP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑ROP效應(yīng)子？微絲動(dòng)態(tài)極性生長(zhǎng)RIC4+LatBGuetal.,TheJournalofCellBiology,,Vol.169,127–138植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第39頁(yè)ROP效應(yīng)子？微絲動(dòng)態(tài)極性生長(zhǎng)Guetal.,TheJournalofCellBiology,,Vol.169,127–138植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第40頁(yè)Guetal.,TheJournalofCellBiology,,Vol.169,127–138植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第41頁(yè)Guetal.,TheJournalofCellBiology,,Vol.169,127–138植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第42頁(yè)花粉管中調(diào)控微細(xì)微絲動(dòng)態(tài)改變ROP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑

ActiveROPCap

RIC4微細(xì)微絲極性化胞吐 作用 極性生長(zhǎng)RIC3 Ca2+聚合 微細(xì)微絲解聚Vesicletargeting Vesiclefusion植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第43頁(yè)通常，干擾細(xì)胞內(nèi)微管動(dòng)態(tài)造成細(xì)胞擴(kuò)張失去方向性（極性），形成膨大細(xì)胞。而干擾細(xì)胞內(nèi)微絲動(dòng)態(tài)，影響細(xì)胞生長(zhǎng)擴(kuò)張，所以形成較小細(xì)胞。植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第44頁(yè)from:Albertsetal.1994MBOC微管：Microtubules(MTs)微絲：Microfilaments(MFs)orF-actin細(xì)胞骨架對(duì)細(xì)胞極性和形狀至關(guān)主要Thecytoskeleton,acomplexnetworkofpolymers植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第45頁(yè)GFP-MAP4標(biāo)識(shí)微管GFP-tubulin標(biāo)識(shí)微管植物細(xì)胞中周質(zhì)微管植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第46頁(yè)JaideepMathurandNam-HaiChuaPlantCellVol.12,465-478,Bj?rnJ.Sieberer,TijsKetelaar,JohnJ.EsselingandAnneMieC.EmonsNewPhytol.Sep;167(3):711-9擬南芥根毛細(xì)胞植物細(xì)胞中周質(zhì)微管植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第47頁(yè)植物細(xì)胞中周質(zhì)微管引導(dǎo)初生壁中微纖絲按一定方向沉積植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第48頁(yè)植物細(xì)胞壁中微纖絲排列方向植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第49頁(yè)微纖絲排列方向與細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)性植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第50頁(yè)

研究實(shí)例二

極性擴(kuò)張生長(zhǎng)模式系統(tǒng)－ 葉片表皮細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制細(xì)胞凹陷區(qū)進(jìn)行極性生長(zhǎng)細(xì)胞凸起區(qū)Fuetal.,PlantCell,Fuetal.,Cell,Fuetal.,CurrentBiology,植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第51頁(yè)WTCA-rop2DN-rop2植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第52頁(yè)GFP-tubulin野生型細(xì)胞中微管排列植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第53頁(yè)CA-rop2DN-rop2ROP突變體細(xì)胞中微管排列GFP-tubulin植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第54頁(yè)ROP效應(yīng)子RIC1是一個(gè)微管結(jié)合蛋白植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第55頁(yè)WTRIC1OE過(guò)量表示RIC1造成更多平行有序微管形成，抑制細(xì)胞擴(kuò)張植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第56頁(yè)DN-rop2RIC1OERIC1OE細(xì)胞與DN-rop2細(xì)胞中微管排列相似植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第57頁(yè)CA－rop2抑制RIC1與微管結(jié)合植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第58頁(yè)CA-rop2DN-rop2微細(xì)微絲集中分布在凸起區(qū),促進(jìn)該區(qū)生長(zhǎng)

ROP2促進(jìn)微細(xì)微 絲形成植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第59頁(yè)在葉片表皮細(xì)胞中ROP2也是經(jīng)過(guò)RIC4促進(jìn)微細(xì)微絲形成，而RIC1則抑制這一過(guò)程植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第60頁(yè)葉片表皮細(xì)胞中調(diào)控細(xì)胞骨架ROP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑極性信號(hào)RhoGTPase極性建立、維持細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)囊泡運(yùn)輸植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第61頁(yè)WTrop6-1ric1-1ROP6或RIC1功效缺失使周質(zhì)微管無(wú)序排列植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第62頁(yè)WTRIC1OEanti-α-tubulinlabelingcorticalMTsGFP-tubulinlabelingcorticalMTs過(guò)表示ROP6或RIC1促進(jìn)周質(zhì)微管有序化植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第63頁(yè)Ratiooffluorescentintensity(neckregion/loberegion)GFP-ROP2

GFP-ROP6ROP6preferentiallylocalizedtoindentingneckregionsofcells,whereasROP2prefersthelobetip.兩條不一樣ROP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是相互拮抗 共同作用植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第64頁(yè)Inter-digitizingpavementcellsSpatialCues(?) LocalizedROP2 activation RIC4 FineF-actinLocalizecell expansion (lobes)

SpatialCues(?)LocalizedROP6 activation RIC1 TransverseMTsLocalizedgrowth inhibition (necks)兩條不一樣ROP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑調(diào)控葉 片表皮細(xì)胞極性生長(zhǎng)植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第65頁(yè)極性擴(kuò)張生長(zhǎng)模式系統(tǒng)－葉片表皮毛研究實(shí)例三植物細(xì)胞極性的信號(hào)調(diào)控專家講座第66頁(yè)Taxol微