拟南芥中三个生长素糖基转移酶的功能研究及相互关系解析

The phytohormone auxin is essential for modulating nearly every aspect of plant growth and development. At present, the research on auxin is mainly focused on the physiological and molecular mechanism of IAA, and the research on the other natural auxin IBA is very limited. Glycosylation modification of auxin is an important molecular modification. It was found that the glycosylation modification for one phytohormone often needs several different glycosyltransferases. However, the significance of these isoenzymes in regulating the same one hormone is largely unknown. In our previous work, UGT84A1, UGT84A2 and UGT84A4 were firstly identified to be IBA glycosyltransferases, which lays a good foundation for the study of IBA glycosylation and glycosyltransferases isoenzymes. In this project，the functions and their relationships of three IBA glycosyltransferases will be investigated in the regulation of auxin activity, auxin metabolism, the hormone signal transduction, expression pattern and the plant growth and development. Through which we will deepen our understanding of IBA physiological function and get new insight into how different auxin glycosyltransferases collaborate together to play their physiological roles.

生长素是一类重要的植物内源激素，几乎调控植物生长发育的各个方面。目前生长素研究多集中在IAA生理学作用及分子机制研究，对另一种自然存在的生长素IBA的研究非常有限。生长素的糖基化修饰是一种重要的分子修饰调控现象。研究表明，针对同一种激素的糖基化修饰，往往需要几个不同的糖基转移酶，但其意义尚不明确。项目申请人近期鉴定了UGT84A1、UGT84A2和UGT84A4为专一性糖基化生长素IBA的糖基转移酶，为进一步研究IBA糖基化及糖基转移酶同工酶奠定了良好基础。本项目拟研究三个生长素糖基转移酶在调节生长素IBA平衡、代谢修饰及信号传导、表达模式以及控制生长发育表型上的功能作用和相互关系，揭示不同生长素糖基化修饰基因共同调节生长素动态平衡以及生长发育的分子机制。本研究将从糖基化修饰角度加深对IBA生理学作用的认识，并为理解激素糖基转移酶同工酶如何协同发挥作用奠定重要的理论基础。

生长素是一类重要的植物内源激素，生长素的糖基化修饰是一种重要的分子修饰调控现象，目前生长素IBA及IBA糖基化修饰的研究非常有限。本研究构建了拟南芥生长素IBA糖基转移酶UGT84A1、UGT84A2、UGT84A4的相关转基因株系。研究组织特异性表达发现，三个基因的表达既有重叠，又有差异。在表型上，ugt84a1突变体开花时间提前，过表达体花期推迟，叶绿素含量升高。拟南芥ugt84a2突变体叶柄较野生型短，过表达体叶柄及叶片较野生型长，UGT84A2的高表达导致了花期推迟，内源IBA含量增加。在开花时间上，研究其分子机制发现，过表达体中促花基因FT，AP1，LFY，SOC1的表达量低于野生型，ARF6和ARF8在过表达株系中明显下调。外源添加生长素IBA同样导致拟南芥花期推迟，促花基因FT,AP1，LFY，SOC1的表达量下调，外源施加的IBA导致ARF6和ARF8下调表达。以上结果暗示IBA糖基化修饰改变了内源IBA的含量进而抑制了ARF6和ARF8的表达，最终导致了开花时间延迟。本项目进一步探索了生长素糖基转移酶UGT74D1参与影响叶柄角度的机制。通过激光共聚焦观察DR5::GFP信号在叶原基中变化发现，UGT74D1OE中叶原基的生长素分布在近轴侧，且含量明显高于野生型。同时发UGT74D1OE的近轴侧表皮细胞变得狭长，叶柄处内源IAA含量明显高于野生型。通过外源喷洒NPA阻断生长素运输，发现NPA导致野生型拟南芥叶柄叶柄角度变大，并且恢复了UGT74D1OE的叶柄夹角表型。以上结果说明UGT74D1通过影响IAA在叶原基中的含量和分布，并最终影响叶柄处内源IAA含量变化，促进叶柄近轴侧表皮细胞伸长，导致叶柄角度变化。本研究从糖基化修饰角度加深对生长素生理学作用的认识，为进一步探究IBA影响植物形态建成机制奠定重要的理论基础。