拟南芥中避荫反应关键转录因子PIF7的调控机制

Plants grown in close proximity experience a change in light quality, and respond by re-allocating energy resources from storage organs to stem-like organs. This adaptive response, called the shade avoidance syndrome (SAS), allows the shaded plant to grow and compete effectively against its neighbors. In agriculture, SAS in sun-loving crops limits plant density and yield. In molecular level, SAS is initiated upon detection of a lowering of the ratio of red to far-red light (R/FR) by the red/far-red light absorbing photoreceptor, phytochrome. Our previously work has been showed in Abaidopsis, bHLH transcription factor PIF7 (Phytochrome- Interacting Factor 7) accumulates in its dephosphorylated form in shade, allowing it to bind to the promoters of downstream genes and lead to shade avoidance response. But to date phytochrome excitation has not been linked directly to PIF7 dephosphorylation and the phosphatase is missing in the light signaling pathway. To address these questions, we will focus on the process to PIF7 dephosphorylation, aiming to identify the coordinate phospotase and its effect in SAS. This work will build fundmentation for mitigating impact of SAS on crops in the future.

高密度种植的植物为了获得足够的光源，会增加营养生长而减少生殖生长，这种反应称为避荫反应。避荫反应的产生限制了许多喜阳作物的种植密度，从而影响作物的产量。对高密度生长的植物，被遮挡的叶片感受到降低的红光和远红光比例，光敏色素能感受这种光质的变化。申请者的前期研究表明，红光/远红光的降低影响拟南芥中PIF7的磷酸化修饰，去磷酸化形式的PIF7通过调节下游基因的表达，启动了避荫反应。已知光敏色素能与PIF7相互作用，但是光敏色素是否以及如何调节PIF7的磷酸化修饰成为了避荫反应信号转导通路中的断点。本申请项目将延续前期工作，研究PIF7功能性磷酸化位点，通过质谱分析PIF7及光敏色素蛋白复合体成份，利用遗传及生化方法鉴定PIF7磷酸酶，建立从光信号到关键转录因子磷酸化水平之间的调控机制。避荫反应中全新调控元件的鉴定及其分子机制的理解都将为今后在作物中改善和利用避荫反应供研究基础和理论依据。

光不仅通过光合作用为植物的生长发育提供能量，同时还可以作为一种信号分子调控植物的形态建成。在自然生态环境或农业生产中，高密度种植的植物之间相互遮挡，上层植物吸收红光和蓝紫光，反射远红光，使下层植物感受到降低的总光强、蓝光及红光与远红光比例，称为荫影。荫影不耐受植物感受到这一信号变化后，会表现出下胚轴、节间、叶柄的加速伸长，长时间则表现出叶绿素合成减少、早花等，这些表型变化统称为避荫反应或避荫综合症。实验室前期研究表明，PIF7是拟南芥中荫影诱导下胚轴伸长的关键转录调控因子，荫影通过改变PIF7的磷酸化状态而影响其转录激活功能，但是PIF7磷酸化修饰的调控及作用机制还不清楚。.我们通过对GFP-PIF7亚细胞定位的观察发现，白光下PIF7可定位于细胞质中，荫影诱导PIF7在细胞核中快速累积。利用PIF7过量表达植株免疫共沉淀PIF7复合体后联合质谱分析，鉴定到PIF7的两个磷酸化位点：S139、S141。将这两个位点突变模拟去磷酸化状态，导致PIF7在白光下定位于细胞核中，且转基因植株呈现出下胚轴伸长的表型；将这两个丝氨酸位点突变模拟磷酸化状态，导致PIF7持续定位于细胞质中，且转基因植株不可恢复pif7-1在荫影下的表型。同时，以PIF7为诱饵的酵母双杂交筛选鉴定到14-3-3κ，通过酵母双杂交实验、半体内GST pull-down实验、双荧光分子互补实验、以及免疫共沉淀，确认了14-3-3λ和14-3-3κ与PIF7的互作，且偏好与磷酸化的PIF7互作。外源施加14-3-3蛋白的竞争性结合抑制剂或在14-3-3λκ的突变体中，荫影诱导的PIF7入核及去磷酸化的速度都显著加快。14-3-3λ和14-3-3κ的单突及双突变体在荫影下的下胚轴都高于野生型，而14-3-3λ的过量表达株的下胚轴矮于野生型，表明14-3-3λ和14-3-3κ负调荫影诱导的下胚轴伸长。综上结果表明，磷酸化修饰可以影响PIF7的亚细胞定位和功能，14-3-3s通过滞留磷酸化PIF7在细胞质中，进而负调PIF7介导的避荫反应。.本研究通过生物化学、分子遗传学和遗传学的方法揭示的磷酸化依赖的PIF7核质穿梭是一种快速响应荫影的调控机制，可以保证植物高效地响应外界光信号的变化。