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真核生物的细胞内,内质网(ER)是负责蛋白质合成和加工的主要场所,在众多的蛋白之中绝大部分的分泌蛋白和膜蛋白都是在ER中合成加工完成。在正常环境下,这一过程在ER中受到严格有序的调控,但是植物经常会受到外界胁迫的影响。其中非生物胁迫通常会扰乱植物细胞内蛋白的正确折叠组装过程导致产生大量的错误折叠蛋白,这些错误折叠蛋白在ER中逐渐积累进而会导致内质网胁迫(ER stress)的产生,位于ER上有一种内质网相关的质量检测系统(ERQC)可以检测ER内的这些错误蛋白并维持ER内的稳态平衡。UPR和ERAD正是与ERQC紧密相关的两个对于维持ER稳态最为重要的机制。位于ER上的错误蛋白响应机制(UPR)的启动会增强ER中的错误蛋白的重新正确折叠组装而减少错误蛋白数量进而消除ER stress,而ER stress会激活位于ER上的内质网相关的蛋白降解机制(ERAD)降解错误蛋白以缓解ER stress。UPR和ERAD,二者对于植物的抗非生物胁迫能力不可或缺。根据酵母和动物中的研究UPR机制可以通过四条通路来增强对于非生物胁迫的耐受性:调控ERAD系统;调控ER分子伴侣的水平;抑制翻译进程减少进入ER中的蛋白量;激活相关细胞凋亡进程。然而目前在植物中对于UPR的研究,只有调控ER分子伴侣的通路被研究确定。 本论文的研究中发现,UPR系统中的三个关键的转录调控因子bZIP17,bZIP28和bZIP60可以响应外界的非生物胁迫信号启动UPR机制增强植物的抗逆能力。研究发现,适当的过表达bZIP17,bZIP28,bZIP60可以恢复ERAD系统由于HRD3A的缺陷造成的敏感表型,并且通过调控ER分子伴侣和HRD1复合体中HRD3A和HRD1B的水平增强植物对非生物胁迫的耐受性。另外,本论文研究发现ABA在植物响应非生物胁迫信号过程中发挥着重要作用,它可以导致ER stress的产生,而bZIP17,bZIP28, bZIP60可以响应ABA诱导的ER stress信号进而激活UPR机制增强植物对非生物胁迫的耐受能力。此外,实验中首次证实了植物中UPR机制的激活依赖于[Ca2+]ER的释放和ERAD系统中HRD3A的存在,当ER中的Ca2+释放被2-APB抑制时,UPR机制会明显被削弱降低植物对非生物胁迫的耐受能力,而在hrd3a-2突变体中这种抑制效果尤为显著。因此,在植物响应非生物胁迫信号过程中,UPR与ERAD是相互依赖的两个系统,二者对植物的抗逆能力都至关重要,不可或缺。 通过本论文的研究,揭示了模式植物拟南芥中UPR和ERAD系统对于植物耐受非生物胁迫的重要性,为研究作物的抗逆分子机理奠定了良好的理论基础,培育作物抗逆新品种以及提高作物的抗性,产量和品质提供了新的育种途径。UPR和ERAD机制的分子机理研究,为我国有效利用大面积的盐碱地提供了新的可行性研究前景。