拟南芥转录调控网络及其结构和演化研究

Transcriptional regulation plays key roles in plant development and responding to types of biotic/abiotic stresses. Plants have evolved a special system to accurately regulate development and rapidly responding to types of stresses. The elucidation of a global, high-quality plant transcriptional regulatory network is necessary to understand the associated regulatory design principles and evolutionary features. We plan to collect and construct a high-quality Arabidopsis transcriptional regulatory network by systematic text-mining and manual curation, and analyze following questions: 1) How about the global patterns of transcription factors (TFs) and their targets in expression correlation? 2) Is there any difference between developmental sub-networks and stress-response sub-networks in global topological structures and network motif compositions? 3) Compared with those of unicellular organisms, is there any novel network motif in the Arabidopsis transcriptional regulatory network? 4) Compared with TFs of ancient families, Does TFs of novel families emerging during plant landing has any wiring preference in transcriptional regulatory system and difference in properties? If so, why? Through investigating above questions, we would gain insights into the design principles of plant transcriptional regulatory network and how novel TFs contribute to its evolution.

转录调控在植物生长发育和应对各种生物和非生物胁迫中发挥着关键作用。经过数亿年的演化，植物形成一套独特的系统来精确调控复杂的发育过程和快速响应外界的各种胁迫。一个全局范围、高质量的转录调控网络不但对生物学功能研究至关重要，更有助于理解相关网络的结构设计与演化特征。本课题拟采用文本挖掘和人工校验的方式，收集并构建一个高质量的拟南芥转录调控网络，并使用此网络研究以下问题：1)转录因子与其靶基因在表达相关性上的总体模式如何？2)发育子网络和应激子网络在全局拓扑结构和结构元件组成上是否有所不同？3)与单细胞生物相比，拟南芥转录调控网络是否存在一些新的结构元件？ 4)与祖先类型的转录因子相比，植物登陆期间产生的新类型转录因子在转录调控系统中的位置是否有所偏好，性质是否有所不同？如有，是什么原因造成的？通过对上述问题的研究来揭示植物转录调控网络的设计原理和探讨新类型转录因子是如何促进转录调控网络演化的。

转录因子通过序列特异性地结合顺式调控元件来调控靶基因时空特异性的表达。转录因子和靶基因组成的转录调控网络在植物精确调控生长发育和快速应对各种胁迫中发挥关键作用。在植物登陆期间产生了很多新类型的转录因子，这些转录因子通过重塑原调控网络进而推动植物转录调控网络的演变。因而，系统识别植物基因组中的转录因子、转录调控元件以及二者之间的相互作用（转录调控网络）是深入理解植物转录调控系统如何精确调控复杂的发育过程和快速响应外界胁迫，以及转录调控网络如何演变的基础。..在基金支持下，课题组围绕上述问题进行研究，开发了一系列植物转录调控相关的预测与分析在线工具、构建了拟南芥首个全基因组水平高质量的植物转录调控网络图谱，并以此为基础首次在模式植物中揭示了发育子网络和应激子网络在结构元件组成和全局拓扑结构方面的异质性，发现了“年轻”转录因子的性质和位置偏好性以及二者之间的内在联系，在为研究植物转录调控的功能和演化提供了宝贵资源的同时，为深入理解新转录因子在转录调控网络演化中的贡献及其机制提供了新的见解和启示。..在课题4年的执行期中，课题组在前期工作基础上建成植物转录数据与分析平台PlantRegMap(http://plantregmap.cbi.pku.edu.cn)，截至2018年11月平台年访问逾两千万，过半用户来自海外，具有较强国际影响力；已公开发表的两篇论文累计他引241次，其中一篇入选ESI热点文章(Hot Paper，引用数居领域前0.1%) (另有一篇正于Genome Biology审稿中)，圆满完成了课题申请书提出的目标与计划，并为后续工作奠定了坚实的基础。.