水稻光敏色素相互作用因子OsPIFs在调控光形态建成中的作用

Nakamura et al. identified six putative genes encoding phytochrome-interacting factors (designated OsPIL11-OsPIL16) via an extensive inspection of the entire genome sequence databases of rice (Oryza sativa). Based on their similarity of amino acid sequence of DNA-binding domain, six OsPIFs were classified as three subclasses of OsPIL11/12, OsPIL13/14 and OsPIL15/16. However, how OsPIFs act in phytochrome-regulated photomorphogenesis remains elusive.. .In this project, we choose OsPIL11, OsPIL13 and OsPIL15 as candidates and analyze their roles in phytochrome-mediated photomorphogenesis in rice through the followed aspects. (1) To examine the subcellular localization of OsPIL11, OsPIL13 and OsPIL15 as well as the interaction between OsPIFs and rice phytochromes. (2) To analyze the effects of phytochrome-mediated red or far-red light on OsPIL11, OsPIL13 and OsPIL15 expression at both transcriptional levels and translational levels. (3) To uncover the roles of OsPIL11，OsPIL13 or OsPIL15 in rice growth and development by characterizing the photomorphogenesis of transgenic rice plants with either overexpressed individual OsPIFs or reduced OsPIFs. The results from this project will make a breakthrough for comprehensively understanding light signaling transduction, and lay the foundation for molecular design to improve the agronomic traits in rice.

Nakamura 等人在水稻基因组中预测到6个潜在的光敏色素相互作用因子基因OsPIFs。根据它们所编码蛋白质中DNA结合域氨基酸的相似性，可将其分为3亚类，即OsPIL11/PIL12、OsPIL13/PIL14和OsPIL15/PIl16。但是，这些OsPIFs因子如何参与光敏色素介导的光形态建成尚不清楚。.本项目以OsPIL11、OsPIL13和OsPIL15为代表，从以下几个方面系统分析它们在水稻光形态建成中的作用：（1）鉴定3个OsPIFs的亚细胞定位及其与水稻光敏色素之间物理学上的相互作用；（2）分析光敏色素介导的红光或远红光对3个OsPIFs基因表达的影响；（3）分析3个OsPIFs基因过量表达和RNAi转基因水稻的光形态建成特征，阐明不同OsPIFs在水稻生长发育中的作用。本项目研究结果将为全面揭示水稻光信号传导网络提供突破口，同时为改良水稻相关农艺性状的分子设计奠定基础。

PIF转录因子(phytochrome-interacting factors)是光敏色素介导的光信号传导途径的关键组分。在水稻基因组中预测到6个编码PIFs转录因子的基因OsPIFs（OsPIL11-OsPIL16）。但是，这些PIF因子是否水稻光信号传导中起作用未见报道。本项目以OsPIL11、OsPIL13和OsPIL15为代表，系统分析它们与phyB之间的相互作用，以及它们在水稻光形态建成中的作用。. 基因表达模式分析结果表明，phyB以外的其他光敏色素（phyA或/和phyC）能够感受红光诱导OsPIL11基因转录，然而phyB和其他光敏色素（phyA或/和phyC）能够感受红光诱导OsPIL13和OsPIL15基因的转录。据此推测OsPIL11、OsPIL13和OsPIL15可能参与不同光敏色素介导的光信号传导途径。OsPIL11和OsPIL13的表达受光周期和生物钟调控，然而OsPIL15的表达不受光周期和生物钟的调控。蛋白质的亚细胞定位结果表明OsPIL13和OsPIL15定位于细胞核，而OsPIL11定位于细胞质。酵母双杂交结果表明OsPIL15、OsPIL16可以与OsPHYB相互作用，而OsPIL11和OsPIL 13不与OsPHYB相互作用。上述研究结果表明，不同水稻PIF转录因子参与不同光敏色素介导的光信号传导途径。. 为了分析OsPIFs在水稻生长发育中的作用，我们培育过表达和缺失表达转基因株系，通过比较野生型和不同转基因株系的形态建成特征，我们发现，在暗生长条件下OsPIL11过表达水稻株系有较长的中胚轴，但胚芽鞘生长受到抑制，OsPIL15过表达株系胚芽鞘延伸受到显著抑制，但中胚轴没有延伸。OsPIL13的暗形态建成与野生型没有差异。在大田中，OsPIFs过表达株系的株高、分蘖数、穗建成和籽粒发育均受到影响。但是不同PIF因子对农艺性状的影响不同。通过探索OsPIFs调控水稻农艺性状的分子机制，我们推测水稻PIFs因子可能通过调控生长素和独脚金内酯途径基因表达而影响水稻中胚轴和胚芽鞘的生长。而且PIF因子能够调控FUWA和GL3.1基因的表达，从而影响粒型发育。此外，我们还揭示了PIL15延迟水稻抽穗期的分子机制。