拟南芥抗铝毒的转录调控机制

Aluminum (Al) toxicity is one of the major factors limiting crop production in acidic soils. While the physiological responses of plant to Al stress have been well investigated during past 20 years, the correspondingly molecular regulatory bases are poorly understood. Long-term studies have presented the evidence that the high transcriptional abundances of Al-tolerance or -detoxification genes are required for conferring Al resistance in plant. Therefore, it is fundamentally important to investigate the transcriptional regulation of plant in response to Al toxicity, thereby widening the relative signal transduction networks under Al stress. In the previous study, we identified an Al-hypersensitive mutant by screening at least three hundred loss-of-function mutants of transcription factors in Arabidopsis. The gene encodes a WRKY transcription factor WRKY47. We found that WRKY47 is mainly expressed in root, and that many well-known Al-resistance genes have higher expression levels in wrky47 mutant than in wild-type plant, suggesting a probable new Al-resistance pathway regulated by WRKY47. The deep research on WRKY47 will widen our understanding on the molecular regulatory mechanisms of plant in Al resistance.

铝毒是限制酸性土壤上作物生产的主要因素之一。近20年来，植物耐铝毒的生理机制已得到了广泛而深入的研究，而我们对其相关的分子调控机制却知之甚少。长期的研究已证实，植物对铝毒的抗性依赖于许多耐铝或解铝毒基因的高丰度表达（转录水平）。因此，探究植物响应铝毒的转录调控是我们深谙整个铝响应信号调控网络的重要基础。前期的研究中，我们从几百个转录因子功能缺失突变体中筛选到了一个对铝毒超敏感的突变体。该突变基因编码拟南芥WRKY47转录因子。我们发现WRKY47主要在根中表达，并且在铝处理条件下，许多已知的耐铝基因反而在wrky47突变体（相对于野生型对照）中具有更高的表达，说明WRKY47可能调控了一条新的耐铝途径。本项目将在已有基础上对WRKY47的功能进行深入研究，从而丰富植物抗铝的分子调控机制。

细胞壁是植物抵抗铝毒的第一道物理防线，细胞壁组分的修饰也已成为植物抗铝性的决定因素之一。然而细胞壁组分的修饰如何受到调控，并且这种调控如何影响植物抗铝性却不清楚。在本项目中，我们找到了一个WRKY转录因子WRKY47参与植物抗铝以及根系生长途径。我们发现WRKY47的功能缺失（基于wrky47-1和wrky47-2功能缺失突变体）显著降低植物的抗铝性，而将其超表达则提高对铝的抗性。进一步研究发现，WRKY47的突变导致铝在根系质外体中的含量明显降低，在根系共质体中的含量则显著提高，从而影响铝在根系的亚细胞分布。这主要归结于wrky47突变体中细胞壁半纤维素组分I含量降低，进而使细胞壁结合铝的能力下降所致。利用基因芯片、定量PCR、染色质免疫共沉淀（ChIP）等技术，我们发现WRKY47能直接调控细胞壁修饰基因EXTENSIN-LIKE PROTEIN (ELP)和XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE-HYDROLASES17 (XTH17)的表达，并且发现超表达ELP和XTH17可以部分回复wrky47-1突变体的铝敏感表型。因此，本项目得出，WRKY47的主要作用是通过直接调控细胞壁修饰相关基因的表达来维持正常条件以及铝胁迫条件下的根系生长，并且WRKY47介导的铝在根系质外体与共质体中的分布对植物抗铝性起到了重要的作用。本项目研究内容的创新性在于我们首次报道了参与抗铝性的细胞壁修饰调控因子，这将使我们更好地了解植物细胞壁的组分修饰如何得到调控，并且这种调控如何影响抗铝性。同时，本项目也将为如何构建抗铝性作物提供新的思路。