叶绿素合成途径HEMB1基因调控植物免疫的机理研究

Chlorophyll biosynthesis and plant immune are two important processes for plant growth. Little is known about the relationship between them. Our previous study demonstrate that two transcription factors FHY3 and FAR1 directly bind to the promoter of HEMB1, encoding an important enzyme of chlorophyll synthetic pathway, and promote its expression, thus revealing the molecular mechanism of light regulation of chlorophyll biosynthesis. We further observed that the fhy3far1 mutant plants are semi-dwarf with curly leaves, spontaneous lesions and accumulation of reactive oxygen species (ROS) and salicylic acid (SA). Strikingly, over-expression of HEMB1 is able to rescue these defects of fhy3far1 mutant. These findings suggest that FHY3/FAR1, HEMB1 and chlorophyll synthesis might play roles in regulating plant immune response. In this study, we propose to further analyze the relationship between FHY3/FAR1 and HEMB1 with the production of ROS and spontaneous lesions, and to elucidate the molecular mechanism of HEMB1 and chlorophyll biosynthetic pathway in regulating SA biosynthesis and its signaling and plant immune. Furthermore, we will analyze the subcellular localization of HEMB1 protein, and the relationship between its functional domains with plant immune response. Moreover, we will study the interacting proteins of HEMB1 to establish the regulatory network of HEMB1 in regulating plant immune. We believe that this study will provide experimental evidence and gain new insight into the functional relationship between chloroplast activity and plant immune.

叶绿素合成与植物免疫是植物生长中两个重要的过程，人们对两者关系的认识知之甚少。我们过去的研究发现了FHY3/FAR1转录因子直接结合并调控叶绿素合成途径基因HEMB1的表达，揭示了光调控叶绿素合成的分子机理。我们进一步观察到fhy3far1双突变体植株矮小、叶片卷曲、活性氧和水杨酸积累，以及出现自发性类病斑，并且过量表达HEMB1能恢复fhy3far1突变体的上述表型，暗示FHY3/FAR1、HEMB1及叶绿素合成与植物免疫可能密切相关。本项目拟深入分析FHY3/FAR1和HEMB1与活性氧及自发性类病斑形成的关系；研究HEMB1、叶绿素合成途径调节水杨酸合成及其信号和免疫的分子机制；分析HEMB1蛋白定位，及其结构域与植物免疫的关系；以及通过研究HEMB1互作蛋白，建立HEMB1调控免疫的可能网络与作用机制，为揭示叶绿体功能与植物免疫的相互联系提供实验证据和理论基础。

四吡咯化合物如叶绿素、血红素等在植物体的整个生命过程中发挥着广泛的作用，它们是植物光合作用和呼吸作用等关键生物学过程不可或缺的重要组分，维系着植物的生长和发育。然而，当四吡咯合成途径受阻时，一些光敏型中间代谢物的积累，则会产生氧化胁迫，诱导细胞死亡，严重阻碍了植物的生长。因此，阐明四吡咯化合物生物合成的调控机制对深入认识植物的生命本质具有重要意义。.我们课题组早前研究发现，FHY3和FAR1蛋白可以直接结合到叶绿素合成途径基因HEMB1的启动子序列上，并促进该基因的表达；并且发现FHY3和FAR1能够与PIF1蛋白相互作用，协同调节HEMB1的转录水平，进而影响叶绿素前体的合成。本研究进一步发现FHY3和FAR1在植物后期生长发育与免疫应答中也发挥了重要作用。首先，我们发现fhy3 far1双突变体和HEMB1人工抑制转基因植株的体内积累活性氧和δ-氨基乙酰丙酸（ALA），并产生细胞死亡，植株生长严重受阻，表现为组成型免疫反应；而HEMB1的过量表达能够很在大程度上恢复fhy3 far1的表型。通过对fhy3 far1全基因组表达分析发现，突变体内病原菌诱导基因被持续性地激活，尤其是一些R基因和水杨酸（SA）响应基因。结合免疫相关指标的检测表明，突变体中抗病激素SA含量及其对病原菌的抗性均明显升高。遗传学分析显示，sid2和pad4突变能够抑制fhy3 far1的组成型免疫应答反应。意味着FHY3和FAR1主要通过负调控SA含量和PAD4/EDS1信号通路来抑制植物免疫应答。外源施加ALA能够特异地诱导植物免疫相关基因PR5，SID2和PAD4的表达，抑制光合相关基因LHCB1.2的表达。此外，发现病原菌的侵入抑制了FAR1基因的表达，表明FAR1能够响应病原菌胁迫。酵母双杂交实验和双分子荧光互补实验表明FAR1能够与免疫信号通路关键因子EDS1相互作用（抑制FAR1的转录活性）。 .本研究揭示了转录因子FHY3/FAR1和四吡咯生物合成平衡植物生长和免疫的可能分子机制，为遗传改良并提高植物对光照和生物胁迫的适应性提供了理论依据。