ARF18介导的生长素信号和侧根发生的分子机理

One of the most important ways for plants to adapt to various adverse circumstances during their development is to continuously develop lateral roots. Auxin is an important plant hormone to regulate lateral root development and the studies on auxin signal transduction and the regulation on the lateral root development are mostly focused on the activator ARF7. There is still no more in-depth studies on the molecular mechanism about the repression ARFs regulating auxin signal transduction and lateral root development. Based on our previous studies, we found arf18 displays more lateral roots phenotype, which is opposite to that of arf7. Additionally ARF18 and ARF7 display complementary expression pattern in the lateral root primordia. Our project will detailedly investigate the molecular mechanism of ARF18 in regulating auxin signal transduction and lateral root development by genetics, cell biology and molecular biology, yeast two hybridization, RNA-seq analysis, transient expression and EMSA, Chip-qPCR techniques etc, thus further deepening our understanding of auxin signal transduction and the regulation on lateral root development.

植物在整个生长过程中不断发生侧根是其适应各种逆境的重要体现之一。生长素是调控侧根生长发育的一种重要植物激素，生长素的信号传导及调控侧根发生的研究大部分都是围绕生长素激活子的典型代表ARF7进行的。生长素抑制子在生长素信号传导及侧根发生过程中的作用及分子调控机制，目前尚缺乏系统深入的研究。本项目通过对arf18突变体初步研究，发现与arf7突变体侧根减少的表型完全相反， arf18突变体具有侧根增多的表型。而且ARF18与ARF7在侧根起始的部位呈现互补的表达模式。本项目将在前期工作的基础上，通过遗传学、细胞学和分子生物学、酵母双杂交技术、转录组分析、瞬时表达和EMSA，染色质免疫共沉淀等分析技术，详细分析ARF18调控生长素信号及侧根发生的分子调控机制，从而加深我们对生长素调控侧根发育和生长素信号传导通路的认识。

生长素是植物生长和发育的重要调控因子，植物的侧根发育的各个过程都与生长素有着密切关系。已有的研究表明，响应生长素信号的ARF转录因子蛋白家族中，具有转录激活功能的ARF7, ARF19及ARF5在拟南芥侧根形成的各个阶段中发挥重要作用，但是对于生长素抑制因子与侧根发育的关系目前尚缺乏系统深入的研究。.本项目利用CRISPR/Cas9技术获得arf18突变体并构建了35S启动子驱动的ARF18过表达转基因植株，表型分析发现arf18突变体侧根原基数目比野生型对照显著减少，而侧根的萌发却显著增加；而ARF18过表达株系则表现出侧根密度显著降低，侧根萌发减少的表型，这说明ARF18在侧根萌发过程中起到负调控的作用。原生质体瞬时转化实验证明ARF18是生长素抑制因子，同时ARF18与ARF7在转录水平上相互抑制，两者在侧根处呈现互补的表达模式，并且arf18/arf7双突变体能够部分恢复arf7突变体减少侧根萌发的表型，说明ARF18作为生长素抑制因子拮抗ARF7调控的侧根生长发育。通过对arf18突变体进行转录组测序并结合arf7突变体的转录组测序数据进行分析发现ARF18和ARF7具有共同调控的下游基因：调控C/N比的关键基因Qua-Quine Starch(QQS)。ARF18和ARF7分别通过下调和上调QQS的表达来调整植物体内的C/N比从而调控侧根的发育。研究还发现，ARF18转录表达明显受光的抑制，而且这一过程依赖于PIFs转录因子。同时，PIFs能够直接结合在QQS的启动子上抑制QQS的表达。综上所述，我们的研究结果表明，拟南芥生长素响应因子ARF18是生长素信号抑制因子，受PIFs转录因子正调控，并与PIFs共同抑制QQS表达，改变植物C/N比调控侧根萌发。同时，ARF18还通过抑制生长素信号，以拮抗生长素正调控因子ARF7的信号，参与侧根发育的调控。拟南芥ARF18调控因子将生长素，光信号和C/N比整合，共同调控侧根的生长发育。此项研究进一步加深了我们对生长素调控侧根发育和生长素传导通路的认识，并为将来提高作物产量的分子育种提供了理论指导。