生长素反应因子ARF2调控类黄酮生物合成的分子机理

Flavonoids play an important role in plant growth and development, and biotic stresses and abiotic stresses. Flavonoids also have beneficial effects for human health. Auxin regulates flavonoids biosynthetic pathway by AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF). But it is still unknown which ARF gene is involved in the regulation, and what the molecular mechanism is underlying their regulation. By applying reverse genetic approaches, we found that the color of seed coat in arf2 mutants was darker than the wild type. The arf2 accumulates more proanthocyanidins (PAs) in seed coat than in the wild type. The expression level of ARF2 in seed coat was higher than other ARF genes. We further found that the expression levels of several important genes in flavonoids biosynthetic pathway were increased in arf2 mutants. These results suggest that ARF2 is involved in auxin-regulated flavonoids biosynthesis. This proposal will mainly focus on elucidating ARF2-regulated flavonoids biosynthesis, by using genetics, molecular biology and metabonomics approaches. We expected to clarify the role of ARF2 in auxin-regulated flavonoids biosynthesis. This study will further improve our knowledge in auxin-regulated flavonoids biosynthesis, and further to improve plant flavonoids biosynthesis.

类黄酮在植物的生长发育和逆境胁迫中起着重要的调控作用，对人类健康有诸多益处。生长素可以通过ARF调控类黄酮的生物合成，但哪个ARF基因参与其中，及其调控的分子机理仍然不清楚。本研究已经利用反向遗传学的方法，筛选ARF基因突变体，发现arf2突变体种皮颜色相对于野生型明显加深；arf2突变体的种皮积累更多的原花色素；ARF2在种皮中的表达水平远高于其它ARFs基因。进一步发现在arf2突变体中，类黄酮生物合成关键结构基因和转录调控基因的表达相对于野生型显著上调。这些结果表明，ARF2负调控类黄酮的生物合成途径。本项目将利用遗传学、分子生物学和代谢组学的手段，确定ARF2调控类黄酮生物合成途径中的靶基因，深入解析生长素通过ARF2调控类黄酮生物合成途径的分子机理，阐明生长素调控类黄酮生物合成的遗传网络，为改良植物类黄酮生物合成和代谢提供重要的理论支撑。

类黄酮在植物的生长发育和逆境胁迫中起着重要的调控作用，对人类健康有诸多益处。生长素可以通过ARF调控类黄酮的生物合成，但哪个ARF基因参与其中，及其调控的分子机理仍然不清楚。首先利用反向遗传学的方法，分析了ARF基因突变体的花青素、黄酮醇和原花色素的含量，发现在生长素反应因子中只有ARF2基因正调控类黄酮中黄酮醇和原花色素的生物合成。ARF2在种皮中的表达水平远高于其它ARFs基因；进化分析发现与ARF2同源性最高的是ARF1、ARF11和ARF18，它们均不参与黄酮醇和原花色素生物合成的调控。进一步表明ARF2是唯一参与调控原花色素和黄酮醇生物合成的生长素反应因子。通过启动子分析和转录活性分析，确定了ARF2基因直接调控CHIL、ANS、GL3、MYB11和MYB12基因，间接调控TT2、TT12、TT19和TT15基因，从而调控原花色素和黄酮醇的生物合成。通过酵母双杂交和BIFC，证明ARF2蛋白与TT2蛋白相互作用，从而调控原花色素的生物合成。.在我们鉴定的ARF2直接或间接调控的基因中只有与查尔酮异构酶CHI高度相似的CHIL基因的生物学功能仍然不清楚。我们发现CHIL基因的突变体种皮颜色虽然与野生型拟南芥相似，但是种皮中原花色素含量却比野生型显著减少，这一结果明显不同于大多数类黄酮生物合成相关突变体典型的透明外种皮的表型。有趣的是，CHIL蛋白既没有酶的催化活性，也不能像转录因子那样调控其它结构基因的表达，而是作为增强子与查尔酮异构酶的蛋白相互作用从而参与类黄酮生物合成，这是拟南芥类黄酮生物合成途径中报道的第一个具有此种新功能的蛋白。.综上所述，ARF2是唯一参与调控原花色素和黄酮醇生物合成的生长素反应因子；确定了ARF2调控黄酮醇和原花色素生物合成途径中的靶基因；阐明生长素调控类黄酮生物合成的遗传网络；阐明了ARF2调控的靶基因CHIL，作为增强子与查尔酮异构酶蛋白相互作用从而参与类黄酮生物合成调控的生物学功能，有助于全面系统地解析类黄酮的生物合成及其调控。通过解析生长素调控类黄酮生物合成的遗传网络，为改良植物类黄酮生物合成和代谢提供重要的理论支撑。