两个全新拟南芥生物钟基因的分子调控机制研究

生物钟在转录水平上直接调控着百分之十以上的植物基因表达，参与调节诸多新陈代谢和生长发育过程，使植物能够积极响应内外因子的变化，提高其适应性和竞争力。当前植物生物钟多重反馈调控模型中仍有很多未知的调控元件有待鉴定和研究。本课题申请人利用系统生物学的方法鉴定出了两个新的生物钟相关基因：SA5与CS1，拟从四个主要方向进行深入研究：1. 在拟南芥生物钟调控网络中的位置及可能的分子作用机制；2. 温度补偿机制中的作用；3. 二氧化碳如何通过SA5调控生物钟及其生物学意义；4. SA5与CS1基因在进化过程中发生歧化选择的机理和意义。对生物钟机制的深入研究将有助于改造农作物的地域性，利用光周期依赖的开花现象，增强植物抗逆性、适应性和竞争力，提高作物生物量。本课题通过对全新的生物钟基因的研究，将进一步完善已有的植物生物钟调控理论，同时有很大的应用前景。

内源生物钟系统所调控的昼夜节律性使得生物体能够适应24小时为周期的环境因素的节律性变化，适时调节自身的新陈代谢和生长发育过程，通过周期节律性生长促进光合效率和生物量的增加与积累。模式生物拟南芥中的生物钟分子调控模型由多重负反馈环路组成，然而核心振荡器如何精确调控多种节律性的机制仍不清楚。本课题利用系统生物学的方法鉴定出两个全新的生物钟相关基因SA5/CS1（命名并后续标注为Morning Tea Time, MTT1/MTT2），按照项目的研究目标和年度计划对其在植物生物钟系统中的位置、可能的分子作用机理、温度补偿机制中的作用、如何受二氧化碳调节等内容进行了深入研究。研究结果表明：1、MTT1/MTT2定位于细胞核中；参与生物钟系统对昼夜节律的调控；它们分别与已知的清晨生物钟系统核心调控的Myb类转录因子CCA1 /LHY /RVE8 /RVE4 在细胞核内互作，且蛋白互作过程亦呈现出24小时节律性，既受生物钟系统调控；我们鉴定出MTT1/MTT2的C端两个功能位点参与其与上述生物钟核心组分的蛋白间互作；2、MTT1/MTT2具有转录激活活性，但不能直接结合到傍晚响应的生物钟基因启动子区的EE元件上；MTT1/MTT2可以参与RVE8/RVE4对其靶基因PRR5的转录激活调节；遗传学分析表明，清晨基因共同的靶基因TOC1位于MTT1/MTT2作用途径的下游；3、MTT1/MTT2介导光信号对生物钟系统的调节，影响到光周期调控的开花、光形态建成反应；4、MTT1/MTT2介导植物对环境中温度及CO2浓度变化的响应，但不直接参与生物钟温度补偿机制的调节。该课题对全新生物钟调控组分MTT1/MTT2作用机理的研究结果，揭示其可能做为生物钟核心转录调控组分RVE8/RVE4/CCA1/LHY的重要辅助因子直接参与昼夜节律的精细调节，该研究成果对于完善已有的生物钟调控理论、改造农作物地域依赖性，利用光周期调控的开花时间性、增强植物的环境适应性和生存竞争力具有重要的理论意义和应用前景。