拟南芥转录因子PIF4调控低磷胁迫诱导花青素积累的分子机制研究

Anthocyanin accumulation is astriking symptoms of plant low phosphorusresponse and plays an important role in its adaptation to low phosphorus environments. The preliminary study found that PIF4 (Phytochrome Interacting Factor 4) negative regulation of low phosphorus induced anthocyanin accumulation in Arabidopsis thaliana, but its molecular mechanism is unclear. In this study, we first analyzed the expression pattern of PIF4 underlow phosphorus. SecondlyChIP-qPCR and EMSA were usedto analyze whetherPIF4 as a transcription factor coulddirectly bind tothe promoter of anthocyanin biosynthetic genes (such as F3'H and DFR, etc.) and Pi transport-related genes (such as PHO1, etc.).And then the interaction between PIF4 and anthocyanin regulatory factors and low phosphorus stress signal factors was analyzed by Y2H, and the positive results were verified by Pull-down, BiFC, Co-IP and LC.Followed by transient transcriptional expression analysis and stable genetic analysis to elucidate the function of the interaction in the regulation of low phosphorusinduced anthocyanin accumulation. The results of this study can reveal the mechanism of PIF4 through the anthocyanin accumulation to respond to low phosphorus stress, which has a great significance.

花青素积累是植物低磷应答的一个显著特征，在其适应低磷环境中发挥着重要功能。申请者前期研究发现，拟南芥光敏色素作用因子PIF4负调节低磷胁迫诱导的花青素积累，但其分子机制还不清楚。本研究首先分析低磷胁迫下PIF4的表达模式；其次借助ChIP-qPCR和EMSA技术解析PIF4作为转录因子能否与花青素合成基因（如F3'H和DFR等）和Pi转运相关基因（如PHO1等）的启动子直接结合；然后通过Y2H分析PIF4与花青素调节因子和低磷胁迫信号因子之间的相互作用，并运用Pull-down、BiFC、Co-IP和LC等技术对阳性结果进行验证；接下来借助瞬时转录表达分析和稳定遗传分析最终阐明该相互作用在调控低磷胁迫诱导花青素积累中的功能。本研究的结果能够揭示PIF4通过花青素积累来响应低磷胁迫的机制，因此具有重要意义。

光敏色素相互作用因子PIF4是PIFs家族中的一员，它不仅能与光敏色素直接相互作用调节多种光响应，而且可以作为多种信号通路的关键整合因子调节植物的生长和发育。但是PIF4调控花青素合成的具体机制还不清楚。花青素的积累是植物响应低磷胁迫的一个显著特征。研究发现，在低磷胁迫下，PIF4::GUS的表达量明显降低；与Col-0相比，PIF4OX中花青素含量及其相关基因的表达明显降低；进一步通过酵母双杂交发现，PIF4能与花青素调节因子中的PAP1相互作用。光作为一种重要的环境因子，能有效地诱导拟南芥花青素的积累，但这种作用在过表达体PIF4OX中受到抑制。与野生型相比，PIF4OX中PAP1（花青素合成调节因子）的转录水平显著降低。此外，pap1-D/PIF4OX中PAP1的表达明显低于pap1-D。pap1-D在白光下，叶片会积累大量的花青素，而这种表型在pap1-D/PIF4OX中几乎被完全消除。ChIP-qPCR和EMSA分析表明PIF4可以直接与PAP1启动子上的G-box结合。而且，瞬时转录表达分析显示PIF4可削弱PAP1启动子的转录活性，在此过程中PAP1启动子上的G-box是必需的。随后，将幼苗放在不同光照条件下生长，发现pif4-2/pap1-D中的PAP1转录水平和花青素含量都显著高于pap1-D，说明了在这些条件下PIF4突变后可增强PAP1对花青素生物合成的调节作用。以上结果表明PIF4负调节花青素的积累在既可以通过直接负调控PAP1的转录表达来实现，又可能通过与PAP1蛋白相结合来实现。花青素积累在植物适应不良外界环境中起着重要作用，以上研究增加了我们对环境因子调控花青素合成的认识，可为通过基因工程手段提高植物体花青素的产量以及增强植物的抗逆性提供一定的理论基础。