抗性基因资源与分子发育北京市重点实验室

　　2021年2月1日，张根发教授课题组在International Journal of Molecular Sciences （IF=4.556）上发表题为“The pip1s Quintuple Mutants Demonstrate the Essential Roles of PIP1s in the Plant Growth and Development of Arabidopsis” 的研究性文章。抗性基因资源与分子发育北京市重点实验室的直博生王星为第一作者，张根发教授为通讯作者，抗性基因资源与分子发育北京市重点实验室为第一完成单位。

　　质膜内在蛋白（Plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）可以介导水分，CO2和小分子中性溶质的跨质膜运输。PIP分为PIP1和PIP2两个亚组，在拟南芥中，有5个PIP1基因和8个PIP2基因。研究表明，PIP2亚组是高效效的水通道，但是PIP1s的输水能力尚不确定。尽管已证明某些PIP1在某些物种中是有效的水通道，但其他PIP1的水运效率相对较低，甚至没有。这可能是由于单个表达的PIP1s保留在细胞内，无法转运至质膜。共表达研究清楚地阐明了PIP2与PIP1相互作用形成异四聚体，从而促进了PIP1s从内质网到质膜的运输，并提高了PIP1s的水传输效率。在玉米中的研究表明，ZmPIP1;2和ZmPIP2;5异源四聚体的水分传输效率甚至高于ZMPIP2; 5同源四聚体。另外，还有研究报道了PIP1s作为调节剂的作用，调节水分跨质膜运输，单从冗余作用角度考虑，植物中不太可能同时保留相似性如此高的两个基因亚组，因此，PIP1s在植物生长发育中的作用和地位还很有争议。

　　为了研究PIP1在植物生长发育中的作用，张根发课题组利用CRISPR / Cas9系统突变了pip1;1,2,3-三基因突变体中的PIP1;4和PIP1;5基因，从而得到了一个pip1;1,2,3,4,5（pip1s-）五基因突变体。与野生型（WT）植物相比，pip1s-五基因突变体的莲座叶和花朵较小，莲座叶数目较少，角果较短，有缺刻，种子较少。 pip1s-五基因突变体的花粉萌发率显著低于野生型，并且pip1s-五基因突变体的花粉外壁变形。转录组测序分析显示pip1s-五基因突变体中许多与生长发育相关基因和转录因子（TFs）的表达发生了显着变化，这些基因参与了叶，花和花粉的发育，包括了与光合作用光系统相关的基因LHCAs和LHCBs，与花粉外壁形成相关的基因SYN3, KIN7A, PIN5, PS1, CYP704B1, CYP703A2, CALS7和CALS8， 与花粉水合相关的基因CER1和CER3，与花粉萌发花粉管伸长相关的基因ALA7, NAS3, PMEI1, PMEI2这表明PIP1s的突变不仅直接影响水分运输和碳固定，而且还调节相关基因的表达，从而影响植物的生长发育。