拟南芥糖基转移酶UGT76X参与光形态建成的作用机制

Light is a key environmental cue controlling plant growth and development. For photomorphogenesis of plants, the reception, transduction and upstream transcription factors of light signaling have been extensively studied. However, the downstream events of light signaling pathway, including target genes and their action modes in regulating plant development, are largely unknown. Our previous work indicated that the Arabidopsis glycosyltransferase gene UGT76X has crucial effect on growth phenotypes. In addition, UGT76X gene was transcriptionally regulated by light signal and auxin, and its mutants and overexpressors gave an opposite change in auxin glucoside level. These results suggest that UGT76X may be a target gene of light signaling and it possibly functions in photomorphogenesis by modulating auxin. Based on these findings, this research project was proposed to study the relationship between UGT76X gene and the light signaling pathway, discover the in vivo substrate of UGT76X enzyme, and analyze the action mode of UGT76X gene involved in the photomorphogenesis through integrated biochemical, molecular and genetic approaches. The research aim is to make clear how important the UGT76X is for the control of photomorphogenesis and get new insight into the mechanism of glycosylation process regulating photomorphogenesis downstream light signaling pathway. Thus, this research would have great scientific significance for understanding the molecular regulation events of downstream light signaling pathway in plants.

光是影响植物生长发育的重要环境信号。光形态建成过程中的光信号接受、传导以及上游的重要转录因子目前已有较多了解。然而，光信号通路下游事件包括光信号的重要靶标基因以及这些基因如何响应光信号而调节生长发育，了解非常有限。本课题组在前期工作中，发现拟南芥糖基转移酶基因UGT76X的突变对生长发育表型有重要影响，该基因的表达受光信号和生长素调节，突变体和过表达体内生长素糖酯的积累量出现了相反变化。这些结果暗示该基因是光信号的靶标基因并且可能通过生长素参与了光形态建成。本课题计划在此基础上，通过遗传学、生化与分子生物学等手段，进一步研究糖基转移酶基因UGT76X与光信号通路的关系，分析该酶的作用底物，明确该基因参与光调节生长的作用机制。目的是发现糖基化修饰在光形态建成中的重要性，提出光信号途径下游通过糖基化修饰调节植物生长的新机制。该研究对于理解植物光形态建成的分子事件及其作用机制具有重要理论意义。

生长素是一类重要的植物激素，调节着植物生长发育的众多方面。由于植物营固着生活，植物会经常遭受外界环境的变化，例如光和温度的变化。而生长素在介导外界环境与植物的适应性生长方面发挥重要作用。因此，植物体内生长素的水平需要根据环境变化做出严格的调整。尽管目前在理解生长素的动态平衡机制方面已经获得了一些进展，但关于生长素水平是如何精细调控并介导植物适应环境的，还有很多需要解答的问题。本项目以模式植物拟南芥为材料，对参与植物光和温度适应的一个糖基转移酶基因UGT76F1进行了研究。主要研究内容和研究结果如下：（1）通过突变体和过表达体分析，证明了UGT76F1在调节植物的光和温度适应性生长过程中发挥重要作用。（2）通过生化手段和代谢分析，首次发现生长素前体吲哚丙酮酸（IPyA）存在着糖基化修饰现象，并确定糖基转移酶UGT76F1是负责这一催化过程的关键酶。（3）通过对体内生长素水平以及相关表型的分析，发现生长素前体IPyA的糖基化能够降低游离态生长素水平，对于生长素动态平衡起着非常重要的精细调控作用。（4）分析鉴定了UGT76F1的上游调控元件以及上游转录因子，揭示了光敏色素互作因子PIF4对UGT76F1的负调控作用，提出了通过PIF4-UGT76F1模块调控植物生长素动态的一个新机制。（5）通过一系列遗传学分析，该课题建立起了PIF4-UGT76F1-IPyA-IAA的作用途径，明确了UGT76F1通过影响生长素平衡参与植物光温适应性生长的分子机制。这项研究填补了生长素代谢调节的一个空白，提出了植物与环境互作的一个新机制，对于深入理解植物的生长素代谢调控以及环境适应性具有非常重要的理论意义。研究结果具有明显的理论创新性。本课题结果已经发表在PNAS等期刊，圆满地达到了预期目标。