光信号与生长素信号互作调控植物根和下胚轴发育的分子机理研究

Light is the key environmental cue. After perceived by the blue light photoreceptor cryptochromes (CRY1 and CRY2) and the red/far-red light photoreceptor phytochromes (phyA through phyE), light signal is transduced downstream and regulate plant growth and development. Auxin is one of the most important and extensively studied phytohormones. Since light and auxin signaling is known to regulate some common important biological processes such as root and hypocotyl development, there must be some mechanisms in plants by which they integrate internal and external signals of plants, in order to be better adapted to the environment. Up to date, the primary molecular pathway and regulatory mechanisms underlying light-auxin signaling cross-talking is largely unknown. Our preliminary studies indicate that CRY1, phyA and phyB physically interact with three IAA/AUX proteins and three ARF proteins, respectively. We will further our studies on whether CRY1/phyB-IAA interaction might regulate the stability of IAA/AUX proteins, and whether CRY1/phyB-ARF interaction might regulate the transcriptional activity of ARF proteins. Through these studies, we hope to uncover the molecular link between light and auxin signaling, the integration pathway, and the related regulatory mechanisms, and further our understanding of the light and auxin signaling, and the molecular basis of integration of internal and external signals in plants. These results will help us to understand the nature of plant adaptation to the environment regulated by phytohormes.

光是重要的环境信号，它通过蓝光受体CRY和红光/远红光受体PHY介导的信号转导途径调控植物的生长发育。生长素是功能重要、研究最为广泛和深入的植物激素之一。由于光和生长素信号共同调控植物根和下胚轴的发育等生理过程，植物可能存在相关的协调机制来整合内外信号，以更好地适应环境。到目前为止，对于生长素与光信号互作的主要途径和分子机制尚不清楚。在前期工作中，我们发现CRY1、phyA和phyB分别与3个IAA/AUX和3个ARF可能发生直接相互作用。在此基础上，我们将探索CRY1和phyB与IAA/AUX的互作是否调控其蛋白稳定性；我们还将探索CRY1和phyB与ARF的互作是否调控ARF的转录活性。通过该项目的实施，可望揭示光信号和生长素信号互作的关键分子连接点、互作途径和调控机制，这将加深对植物整合内在信号与外在环境信号的分子基础的认识，从而有助于揭示植物激素在调控植物的环境适应性方面的本质。

光是最重要的环境因子，不仅是植物光合作用的能量来源，同时也是调控植物生长发育的信号来源。植物通过内在感应光的信号分子——光受体介导的信号转导途径来调控植物的生长发育。蓝光受体隐花素CRY广泛存在于低等植物、高等植物、昆虫和动物中，并在氨基酸序列上高度保守。在果蝇中，CRY通过调控生物钟的输入途径调控生物节律。而在动物中，CRY则是构成生物钟的核心元件。此外，存在于候鸟眼内视网膜中的CRY还可以感知地球磁场，为它们在南北大迁徙中提供精确的定位导航。在高等植物中CRY参与调控光形态建成、气孔发育、开花时间。红光受体光敏素phyB也是植物重要的光受体，参与调控光形态建成、气孔发育、开花时间和生物钟。生长素作为第一个被发现的植物激素，参与调控植物众多重要的生长发育过程，包括胚胎发育、根的起始、顶端分生组织发育、顶端优势及育性。但光和生长素信号之间是否互作及其互作的分子调控机制尚不清楚。通过该项目实施，揭示了CRY1和phyB分别与AUX/IAA蛋白发生依赖于蓝光和红光的蛋白相互作用，其作用的后果是促进AUX/IAA蛋白的稳定性。由于生长素受体TIR1与其底物AUX/IAA蛋白发生依赖于生长素的、非常灵敏的蛋白互作，而我们的工作揭示了CRY1与AUX/IAA蛋白发生依赖于蓝光的灵敏的互作，这些互作的后果是可能是抑制生长素受体TIR1与AUX/IAA蛋白结合、从而促进AUX/IAA蛋白的稳定性；发现由TIR1/AFBs-BDL/IAA12-ARF5/MP组成的生长素信号转导途径负调控气孔发育，并揭示了ARF5在叶肉细胞中直接结合促进气孔发育的多肽激素基因STOMAGEN的启动子、抑制其表达来调控气孔发育；发现了一个新的phyB信号转导因子PIL1，phyB和COP1分别与PIL1发生直接的蛋白互作调控其蛋白稳定性，从而调控下胚轴细胞伸长。通过该项目的实施，揭示了环境信号光信号和植物内在激素信号互作的分子调控机制，该机制可以使植物根据内外信号的动态变化，导致信号间的拮抗作用，来调控植物细胞处于理想的伸长状态，从而使植物能维持理想的生长发育状态，以更好地适应环境。