叶绿体是一个多功能细胞器,是高等植物中进行光合作用的重要场所,参与合成代谢调控、植物的生长发育与抗逆性的响应过程。质体小球(Plastoglubles,PGs)是叶绿体中类囊体膜在剧烈发芽(budding)过程中形成的、并附着在类囊体膜上的单层膜结构,膜上嵌入各种蛋白,是叶绿体中脂质储存的重要场所。研究表明,质体小球在植物中普遍存在,其大小和数量与植物的生长发育和抗逆性有关。质体小球上的核心蛋白大约有30个,主要参与脂质的代谢途径。其中,fibrillin(FBN)家族蛋白是叶绿体质体小球中最丰富,也是最重要的一类蛋白。植物fibrillins(FBNs)蛋白构成了一个保守的质体脂质相关蛋白(Plastid-lipids associated protein,PAP)家族,参与双子叶植物质体中脂类的合成和转运过程。然而,FBNs在单子叶植物叶绿体中的功能还未研究。因此,本论文从生物信息学、分子生物学、生物化学和植物生理学的角度,首先进行了FBN家族的系统进化和结构分析;其次,在分析OsFBN家族的结构和表达特性的基础上,鉴定了OsFBN1和OsFBN7在PGs形成和耐热性中的作用机制。主要结果如下:1.植物FBNs家族的生物信息学和结构特征分析。选取10种代表性植物物种,共鉴定出121个fibrillin(FBNs)家族蛋白,系统发育树分析表明,121个FBN蛋白分为24个簇(clade),进一步分为陆生植物特有的、藻类特有的和非特异的(藻类和陆生植物均有的)三大类(group)。植物FBN家族基因的内含子和外显子数和大小具有显著差异。但其编码蛋白均含有一个N-末端叶绿体转运肽(CTP)和质体脂质相关蛋白(PAP)结构域。在水稻中FBN蛋白家族共有11个成员,每个成员均有一个N-端CTP结构域。烟草体系中亚细胞定位结果表明,除OsFBN8外,来自其它10个OsFBNs成员的CTP结构域均具有定位到叶绿体中的功能。在水稻中FBN家族蛋白PAP结构域含有高度保守的基序(Yx D motif)。这2个氨基酸的定点突变和体外脂质结合活性分析发现,OsFBN2和OsFBN4的PAP结构域与C12~C22脂肪酸的体外结合活性受Yx D基序的影响。q RT-PCR检测表明,OsFBN家族基因表达均不同程度地受高温和低温胁迫的诱导。2.OsFBN1在叶绿体中PGs形成和水稻耐热性中的功能鉴定。烟草体系中亚细胞定位实验表明,来源于OsFBN1的CTP结构域和OsFBN1前体蛋白均定位于叶绿体。同时,体外脂质结合活性实验表明,OsFBN1成熟蛋白在体外可以特异性结合C18和C20脂肪酸。在自然高温生长条件下,OsFBN1超表达株系的分蘖数、穗长、结实率和茉莉酸(JA)含量均发生改变。OsFBN1超表达和高温逆境处理均可诱导叶绿体中PGs数和体积增加。此外,OsFBN1超表达促进水稻叶片中JA合成,影响异戊二烯类代谢和光合作用相关基因的转录水平。这些结果表明,OsFBN1参与水稻开花期高温胁迫的响应。同时,在叶绿体中PGs发育和脂质代谢等过程中起重作用。3.OsFBN7在叶绿体中PGs形成和耐热性中的功能鉴定。结果表明,OsFBN7超表达降低叶绿体中光系统II(PSII)的光能利用率,从而可能抑制水稻幼苗的生长。OsFBN7超表达促进5叶期和开花期剑叶叶绿体中PGs的积累,并呈现聚集成簇的现象。酵母双杂交筛选、Bi FC和Co-IP鉴定表明,OsFBN7与水稻的β-ketoacyl-ACP合酶(Os KAS Ia和Os KAS Ib)存在特异性互作。而且,OsFBN7超表达促进开花期剑叶KAS I的酶促活性,降低KAS II的酶促活性,对KAS III的酶促活性无影响。叶绿体脂质组检测发现,OsFBN7超表达显著增加开花期剑叶叶绿体中二酰甘油(DAG)和糖脂(MGDG和DGDG)的含量。由此,我们提出OsFBN7调控在水稻叶绿体中PGs形成的作用机制:OsFBN7可能通过与脂肪酸从头合成途径中的关键酶β-ketoacyl-ACP合酶I(Os KAS Ia/Ib)互作来促进脂肪酸的从头生物合成,显著增加DAG、MGDG和DGDG的积累,促进PGs的形态建成过程。综上所述,本文系统分析了从藻类到水稻等高等植物中10种代表性植物FBN家族的蛋白结构和进化特征,以及OsFBN家族基因在温度逆境中的诱导表达;进一步研究了OsFBN1和OsFBN7在水稻叶绿体PGs形成和耐热性中的作用机制。发现OsFBN1参与开花期高温胁迫响应,同时,在叶绿体中PGs发育和脂质代谢等过程中起重要作用;OsFBN7基因超表达促进叶绿体中PGs的积累,通过与KAS Ia/Ib蛋白互作促进脂肪酸的从头合成。这些新发现为深化植物FBN家族基因在叶绿体中脂类合成和耐热性中的作用机制研究提供了新思路。