YUCCA调控生长素的局部合成参与铝毒害对拟南芥根伸长抑制的分子调控机制

Aluminium stress is one of the most important limiting factors of crop productivity in acid soils in the world.The previous studies show that auxin plays an important role in aluminium stress regulated root growth inhibition.However, there is not much known about how auxin is invovled in root growth inhibition in response to aluminium stress.Our recent investigations show that YUCCA mutants are resistant to aluminium induced root growth inhibition,and aluminium stress induces local up-regulation of YUCCAs in the transition zone of root tips, suggesting an important role of YUCCA in the root growth inhibition in response to aluminium stress in Arabidopsis.In this study, based on previous investigations,we will make an in-depth study about how YUCCAs (YUC3, YUC5, YUC7, YUC8, YUC9）are invovled in root growth inhibition in response to aluminium stress at the molecular level, clarify the role of ethylene in aluminium sress induced local YUCCA up-regulation in the transition zone of root tips and characterize new transcriptional regulators of YUC9.To this end, genetics, cell biology, molecular biology,yeast-one hybrid screening, transient expression analysis and electrophoretic mobility shift assay (ESMA) will be employed.

铝毒害是世界范围内酸性土壤上作物生产的主要限制因子之一。已有的研究结果表明，生长素在铝毒害抑制的植物根伸长的过程中发挥重要作用。但生长素如何响应铝胁迫信号，从而参与抑制主根的伸长，目前还知之甚少。我们的前期研究发现，拟南芥YUCCA基因突变体表现出对铝毒害抑制根伸长不敏感，而且铝胁迫处理能够特异的诱导YUCCA基因在根尖转化区的表达上调，初步表明YUCCA基因在拟南芥响应铝胁迫过程中的重要性。本申请项目在前期研究工作的基础上，通过遗传学、细胞学和分子生物学及酵母单杂交、瞬时表达和EMSA等分析技术， 深入研究铝胁迫如何通过生长素合成基因YUCCA（YUC3, YUC5, YUC7, YUC8, YUC9）抑制主根伸长的分子调控机制,阐明植物激素乙烯在铝胁迫诱导的YUCCA基因在根尖转化区的作用机理，并筛选和鉴定参与YUC9转录的关键调控因子。

植物根系能植物吸收水分和营养物质，也参与植物对各种逆境的响应。植物可通过改变根系的结构和功能来更好地应答各种逆境。铝是土壤中含量最丰富的金属元素，在酸性条件（pH≤5.5）下，游离态铝离子（Al3+）显著抑制植物根的生长发育，地球上多达50%的潜在可耕地为酸性土壤，因此铝胁迫成为世界范围内影响作物产量和粮食安全问题的重要因素，因而探究酸性土壤中铝胁迫的分子调控机理具有重要意义。植物激素如乙烯、生长素、脱落酸能够参与植物对铝胁迫的响应，为进一步探讨这些激素如何响应铝胁迫的分子机制及不同激素间如何共同介导铝胁迫抑制主根的伸长等过程，我们以模式生物拟南芥为材料解决以上问题。我们检测到生长素合成关键基因YUCCA（YUC）的功能缺失突变体特别是yuc9具有一定的铝胁迫耐受性。yuc突变能减弱生长素报告基因DR5rev:GFP在根尖TZ区受铝胁迫的诱导表达，铝处理后能诱导YUC基因在TZ区的表达。说明YUC基因参与铝胁迫在根尖TZ区对生长素的响应以及对主根伸长的抑制过程。乙烯合成前体ACC与铝共同处理可以增强TZ区YUC基因的诱导，而乙烯合成抑制剂AVG结合铝处理则减弱了TZ区YUC基因的表达，说明YUC基因在根尖TZ区对铝胁迫的响应是受乙烯所调控的。研究还发现PIF4对YUC5及YUC9基因也存在直接的转录调控。PIF4功能缺失突变体具有耐铝表型，而超表达株系35S:PIF4则对铝胁迫超敏感。进一步分析发现乙烯信号通过下游EIN3/EIL1基因直接调控PIF4的转录激活，进而参与对铝胁迫的响应。本研究也发现细胞分裂素代谢基因的功能缺失突变体或B型ARR基因的超表达株系对铝处理更加敏感，并发现铝胁迫抑制植物主根伸长的过程中，细胞分裂素位于生长素的下游。综上所述，我们的研究不仅证实了细胞分裂素在植物响应铝胁迫的过程中的重要作用，同时进一步揭示了生长素和细胞分裂素除了在正常发育条件下以拮抗的方式参与根伸长的调控，而且能够在响应铝胁迫的过程中以协同的方式介导铝胁迫信号调控植物根的生长。