生长素诱导基因ERF13调控侧根生长发育分子机制

One of most important ways for plants to adapt to various adverse environments is to continuously develop lateral roots. Auxin is an important signal to regulate lateral root development. ARF7/19-LBDs is the most important and focused pathway on the regulation of the lateral root development mediated by auxin signal. There is little known about the lateral root regulation pathway independent of ARF7/19. In our previous studies, we found that an AP2/ERF transcription factor encode gene ERF13 can induced by auxin and the mutant erf13 had more lateral root emergence while 35S:ERF13:MYC had little lateral root emergence. Further study found that the induction of ERF13 induced by auxin was independent of ARF7/19. This indicate that the pathway of auxin regulated lateral root development mediated by ERF13 is independent of ARF7/19. In addition, we also found that auxin can induce the degradation of ERF13 and this process may be achieved by phosphorylation mediated by CDPK2. Our project will detailed investigate the molecular mechanism of ERF13 in auxin regulated lateral root development by genetics, cell biology, molecular biology, yeast two hybridization, RNA-seq analysis, transient expression and western blot techniques etc.

植物侧根的不断发生是适应各种逆境的重要体现之一，而生长素是调控侧根生长发育的重要信号分子。ARF7/19-LBDs途径是目前发现的介导生长素信号最为重要也是研究的最为深入的侧根发生途径。然而，我们对不依赖于ARF7/19的侧根调控途径还知之甚少。本研究发现AP2/ERF转录因子编码基因ERF13受生长素诱导表达，其突变体erf13具有侧根萌发增多的表型，ERF13超表达具有相反的表型。而且生长素诱导的ERF13表达不依赖于ARF7/19途径，初步说明ERF13介导的侧根发生不依赖于ARF7/19途径。另外，我们的初步研究还发现，生长素能够诱导ERF13蛋白的降解，该过程可能是通过CDPK2介导的磷酸化修饰实现的。本项目将在前期工作基础上，通过遗传学、细胞学、分子生物学以及酵母双杂交、转录组分析、瞬时表达和蛋白质免疫印迹等分析技术，阐明ERF13介导的生长素信号调控侧根生长发育的分子机制。

与动物不同，高等植物只能固着生长的特点决定了其能够根据复杂的环境条件不断地调整器官的发生和发育进程进而更好的生存下来。植物根系，尤其是侧根作为植物吸收水分、养分和应对胁迫的重要器官，在适应各种环境条件中起着至关重要的作用。与主根不同，植物的侧根是胚后器官，由主根的中柱鞘起始细胞起始。在侧根形成的过程中，侧根原基必须穿过三个不同的细胞层：内皮层、皮层和表皮。在植物中，生长素作为最重要的激素之一在侧根的起始和发育过程中起到十分重要的作用。过去对生长素调控侧根的研究主要集中在细胞核内的经典生长素信号通路，即生长素受体TIR1蛋白家族感知生长素并促进下游转录抑制子AUX/IAA蛋白的降解，从而释放ARF-LBDs转录调控模块调控侧根的发育。除经典的生长素信号通路外，是否还存在其它的重要生长素信号途径参与侧根的发生，多年来一直是悬而未解的问题。针对该问题本项目研究发现，MPK14能够正调控侧根的发育，MPK14功能缺失突变体mpk14具有侧根发育缺陷的表型。为了进一步探索MPK14参与生长素调控侧根发育的分子机制，我们通过酵母双杂交筛选发现，MPK14能够与ETHYLENE RESPONSE FACTOR13 (ERF13)互作。并且发现生长素能够通过激活MPK14进而磷酸化ERF13诱导其蛋白的降解，解除ERF13对侧根发生的抑制。35S:ERF13:MYC过表达材料具有侧根突破显著减少的表型，并且该表型是由于侧根原基由IV期向V期转变受到抑制造成的。通过对ERF13下游调控基因的筛选发现，ERF13能够通过抑制3-ketoacyl-CoA synthase16（KCS16）基因的表达进而影响超长链脂肪酸（VLCFAs）的合成参与侧根的发育。并且发现VLCFAs能够影响侧根原基处皮层细胞壁中果胶的降解，从而影响了侧根原基由IV期向V期的转变。综上所述，该研究阐明了生长素通过激活MPK14激酶活性进而磷酸化ERF13，磷酸化的ERF13被26S蛋白酶体降解从而释放下游KCS16基因的表达促进VLCFAs的合成，VLCFAs进一步影响侧根原基处皮层细胞壁中果胶的降解，从而影响了侧根原基由IV期向V期的转变，进而影响了侧根的发育。