拟南芥HSFX和CLKX调控下胚轴低温生长的分子机制研究

Low temperature is a limiting factor for the geographical distribution and the production of plants, and improving chilling tolerance is critical for yield improvement of crop plants. However, little is known about the molecular mechanism of growth adaptation under chilling conditions, which limits our ability to generate plants with better chilling adaptation. The goal of this proposed research is to characterize regulators of hypocotyl growth under chilling conditions in Arabidopsis and to start to reveal the genetic architecture in chilling adaptation. We have used Genome Wide Association Study to identify HSFX and CLKX as important regulators for hypocotyl elongation at chilling temperature 10℃. The proposed research will investigate how these two genes regulate chilling growth through identifying their direct targets, their regulatory pathways, and natural adaptation variants. In addition, interactions among their regulated pathways and the plant hormone pathways will be assessed to reveal the genetic architecture of hypocotyl growth adaptation at chilling temperatures. Together, these studies will enhance our mechanistic understanding of low temperature adaptation in plants and provide genetic resources for improving chilling tolerance in crop plants.

低温限制植物生长地域并抑制植物生长，因而增强植物对低温的适应性是提高作物产量的重要途径。然而，目前我们对低温影响植物生长的分子机制了解甚少。本研究将分析拟南芥自然品种下胚轴低温生长的遗传多样性，挖掘植物低温生长的调控因子，并初步解析低温生长适应性调控的途径和网络。项目前期已应用全基因组关联方法分析了拟南芥自然品种在10℃低温的下胚轴生长多样性，发现HSFX 和CLKX参与下胚轴低温生长的调控。本项目将在此基础上，鉴定HSFX 和CLKX参与下胚轴在低温生长调控中的直接靶标基因和信号通路，挖掘它们在自然变种中冷适应的遗传变异型，以进一步解析它们调控植物低温生长的分子机制。同时，将分析它们和激素在下胚轴低温生长调控中的互作关系，以初步解析低温生长适应性的主要遗传调控通路和网络。总之，上述研究将提高对植物低温生长适应机制的认知，并为耐冷作物新品种的培育提供遗传资源。

低温是限制植物产量和地理分布的主要因素，研究植物对低温的适应性对提高作物产量具有重要意义。然而，目前我们对0℃以上低温影响植物生长的分子机制了解的还比较少。本研究通过对黑暗低温条件下拟南芥下胚轴生长的分析，对拟南芥低温生长的分子机制进行了解析。研究发现A1类的热激转录因子HsfA1d和类受体激酶CRLK1在拟南芥低温生长调控中发挥重要作用。HsfA1d和CRLK1基因突变显著降低低温下的拟南芥下胚轴生长。转录组分析发现HsfA1d基因突变影响一些核糖体蛋白基因的低温诱导表达。ChIP分析发现HsfA1d可以通过直接绑定到3个核糖体蛋白基因的启动子区，来调控这些核糖体蛋白基因的表达。核糖体蛋白基因突变也会显著降低拟南芥下胚轴的低温生长。并且本研究还发现低温下HsfA1d在细胞核中的积累需要其互作蛋白NPR1参与。本研究发现了一条新的植物低温调控途径即HsfA1d可以通过促进核糖体蛋白基因的表达来维持低温下植物蛋白翻译的稳定。总之，上述研究结果将提高我们对植物低温生长适应机制的认识水平，为培育耐冷作物新品种提供遗传资源。