拟南芥IAA甲基化修饰对向光性反应的调控机理研究

Plant phototropism is a classical scientific mystery displayed by the famous experiment conducted by Darwin and his son. Up to now, no evidence about the relationship between IAA methylation and plant phototropism is reported. We obtained a MeIAA-specific resistant mutant mar34 and found that, by map-based cloning, mar34 is a new allele to the non-phototropic hypocotyl 4 (nph4). Promoter-GUS analysis showed that the expression of IAA methyltransferase IAMT1 exhibited asymmetric distribution in the bend region of hypocotyl unpon unilateral blue light illumination, implying that MeIAA is indeed involved phototropic response. In this study, we will adopt molecular and genetic approaches to analyze the response of mar34 and other non-phototropic hypocotyl mutants to MeIAA, and the possible changes of phototropism in the MeIAA related mutants. The expression pattern in the hypocotyls of IAMT1 and MeIAA demethylase AtMES17 under normal light condition or unilateral blue light illumination will also be investigated in detail. We intend to find out the upstream genes which regulate the expression of IAMT1 and MES17 in the hypocotyl, to eventually facilitate understanding of the molecular mechanisms by which IAA methylation and de-methylation possibly regulate plant phototropism.

植物向光性反应的机理是一个经典的生物学问题，但现有文献还未有IAA的甲基化过程参与向光性反应的报道。我们获得了一个对甲基化IAA(MeIAA)具有特异性抗性的突变体mar34，通过图位克隆确定该突变体是已知的植物向光性突变体nph4的一个新的等位突变体。IAA甲基化酶IAMT1的基因启动子接GUS分析表明，单侧蓝光处理可导致IAMT1形成不对称的表达模式，暗示MeIAA可能确实参与了植物向光性反应。本申请拟通过各分子生物学和遗传学的手段，分析mar34和其他已知向光性突变体对MeIAA的反应变化，以及MeIAA相关突变体的植物向光性反应变化；确定IAMT1以及MeIAA水解酶AtMES17在植物下胚轴中的表达模式和用单侧光处理后的改变，找到引起这种表达模式改变的上游调控基因和遗传调控网络，解析IAA甲基化和去甲基化过程在植物向光性反应中的功能，为阐明植物向光性反应的调控机制提供实验证据。

本项目用MeIAA处理并筛选了本实验室的突变体库，得到了一个对MeIAA处理不敏感的突变体mar34。通过图位克隆发现该突变体是向光反应突变体nph4（non-phototropic hypocotyl 4）的一个新的等位突变体。由于NPH4/ARF7是生长素信号传导下游的重要转录因子，参与植物下胚轴的向光性反应，这暗示着MeIAA可能参与调控向光性反应。为研究MeIAA是如何参与向光性反应的，首先，用MeIAA处理拟南芥野生型幼苗，发现下胚轴的向光性反应消失；其次，发现iamt1和mes17都表现出向光性反应减弱的表型，说明IAMT1和MES17这两个基因都是向光反应所必需的；其三，IAMT1和MES17过量表达的转基因植株都出现了向光性反应减弱的表型。这些结果说明由IAMT1和MES17维持的IAA-MeIAA动态平衡对于正常的向光反应非常重要。.为了进一步研究IAA甲基化修饰调控植物向光性反应的分子机制，首先分析了IAMT1和MES17这两个基因的表达模式，发现它们均在下胚轴中表达，并且其表达在向光反应发生部位的上方区域受蓝光诱导而增强。IAMT1和MES17在下胚轴中的表达均依赖于蓝光受体PHOT1和PHOT2。这些结果说明，IAMT1和MES17在蓝光和蓝光受体下游参与调控植物的向光性反应。已知两个重要的转录因子PIF4和PIF5参与调节植物的向光性反应，本项目研究发现，PIF4可直接结合在MES17的启动子上，抑制其转录。同时，PIF4在暗转蓝光的过程中发生自身降解，部分解除对MES17表达的抑制，负调节植物向光性反应。同时，本项目还通过生长素报告转基因系DR5-GFP发现，mes17突变体的下胚轴向光弯曲部位的生长素信号比野生型明显减弱，而且生长素信号在下胚轴两侧的横向不均匀分布的趋势明显减弱，这很可能就是造成mes17突变体向光性反应减弱的原因。综上所述，通过本项目的研究，我们认为MeIAA很可能通过IAA-MeIAA的动态平衡来影响向光反应过程中的生长素不均匀分布，调控植物的向光性反应的。非极性分子MeIAA可以快速扩散，这有利于IAA在向光反应中快速形成横向不均匀分布。这些新发现增加了我们对植物向光反应调控机制的理解，完善了Cholodny-Went假说的解释。