自噬蛋白ATG8I与ABI5转录因子相互作用调控ABA信号转导及种子萌发的分子机理

Autophagy is a highly conserved degradation and recycling process in eukaryotes. Acting as critical components in autophagic processes, ATG8 (AUTOPAHGY 8) family proteins have been shown to physically interact with cargo receptors in cytoplasm and mediate their degradation through the lysosome or vacuole. However, we recently found that Arabidopsis ATG8I protein specifically interacts with ABI5 transcription factor in the nucleus, suggesting that it may function as a modulator of transcription. ATG8I is predominantly expressed in dry seeds and strongly induced by abscisic acid (ABA) treatment. Phenotypic analysis showed that atg8i mutants are more sensitive to ABA than the wild type during seed germination. Further genetic analysis demonstrated that the ABA-hypersensitive phenotype of atg8i-1 plants is dependent on ABI5. These results suggest that ATG8I may be directly involved in ABA signaling through physically interacting with ABI5 transcription factor. To test this possibility, we will undertake molecular and genetic approaches in this project to further clarify the roles of ATG8I and the genetic interaction between ATG8I and ABI5 during seed germination. Moreover, we will investigate whether ATG8I interferes with the degradation, transcriptional function and/or DNA-binding activity of ABI5. Our study may not only contribute to explore the molecular mechanisms of ABI5-mediated ABA signaling, but also help understand the transcription functions of autophagy-related proteins.

自噬蛋白ATG8是真核生物自噬过程中的核心组分，它们能直接与自噬货物受体等蛋白在细胞质中相互作用，从而使后者通过溶酶体或液泡降解。然而，我们最近研究发现拟南芥ATG8I蛋白能特异与ABI5转录因子在细胞核内相互作用形成复合物。ATG8I主要在干种子中表达，并受ABA激素诱导；表型分析发现atg8i突变体对ABA敏感，且该表型依赖于ABI5。上述结果暗示ATG8I可能具有不依赖于自噬过程的转录调控功能。为了深入研究ABI5-ATG8I复合物调控ABA信号转导的分子机制，本项目将采用分子生物学、遗传学及生物化学的方法手段，系统分析ATG8I调控ABA反应的生物学功能，揭示它与ABI5之间的遗传关系，并详细阐明它对ABI5蛋白稳定性、转录活性或DNA结合能力等的调控作用。本项目的研究结果不仅有助于人们深入理解ABI5介导的信号网络，还有可能揭示自噬蛋白在基因转录调控方面的生物学功能及其分子机理。

ABI5是脱落酸（ABA）信号途径中的关键转录因子，参与调控种子萌发和萌发后生长发育等生理过程。我们研究发现ABI5能特异地与自噬蛋白ATG8I互作形成蛋白复合物。ATG8是自噬过程中的核心组分，能直接与选择性自噬货物受体等蛋白在细胞质中相互作用，从而使后者通过溶酶体或液泡降解。有趣的是，我们发现ABI5与ATG8I在细胞核内而非自噬过程发生的细胞质中相互作用。相一致的是，蛋白质亚细胞定位分析证实ATG8I可定位于细胞核中。ATG8I基因在干种子中表达，并受 ABA激素的诱导。表型分析表明，atg8i突变体在种子萌发阶段较野生型对ABA更敏感，且该敏感表型依赖于ABI5。此外，我们还观察到atg2、atg7、atg8a和atg9等其他自噬相关突变体表现出与野生型植物相类似的ABA反应，暗示细胞质中的自噬过程可能不参与调控ABA信号途径。上述结果说明，自噬蛋白ATG8I可能以不依赖于自噬过程的方式参与调控ABA信号转导和种子萌发过程。. 此外，我们还发现ABI5转录因子与生物钟蛋白PRR5和PRR7相互作用，且正调控ABA信号转导过程。PRR5正调控ABA信号转导过程主要依赖于ABI5。PRR5能被ABI5招募到某些下游基因的启动子区域，并能促进ABI5的转录功能，激活ABA信号转导过程，从而揭示了植物ABA信号转导及种子萌发的时间（昼夜节律）调控机制。我们还解析了ABA、生长素（IAA）和茉莉酸（JA）激素协同抑制植物种子萌发的信号网络，揭示了ICE1转录因子可以与ABI5和DELLA蛋白相互作用形成转录复合物，从而精密调控ABA激素信号传导及种子萌发过程。相关研究结果对于人们深入理解植物整合内外源信号调控植物生长发育及环境适应性具有重要科学意义，也可为农作物优良品种培育和作物驯化提供理论依据。. 受本项目资助累计在Plant Cell（6篇）和Journal of Experimental Botany等植物学经典期刊发表SCI论文8篇，累计影响因子为85.325，平均每篇影响因子为10.667。项目主持人在执行期内晋升为研究员三级，获得国家自然科学基金-优秀青年科学基金资助，入选中国科学院青年创新促进会优秀会员。培养优秀博士研究生2名，优秀硕士研究生1名。