拟南芥KNOX类转录因子BP介导光调控种子萌发的分子机制研究

Light is a crucial environmental signal regulating seed germination of plants. KNOX proteins are a key transcription factors in regulating multiple plant growth and development processes, however, the role and mechanism of KNOX-type transcription factors in light-regulated seed germination keep unclear. Our previous work demonstrated that Arabidopsis class I KNOX-type transcription factor BP acts as an activator in the regulation of light-mediated seed germination processes and germination-related gene expression. Furthermore, BP binds directly to some germination-related genes and affects their histone methylation levels, such as H3K4me3 and H3K27me3. In this work, we will screen and confirm BP-interacting proteins, especially epigenetic factors. Next, we will study the light signal transduction processes and gene networks which co-regulated by BP and its interacting factors. Furthermore, we will also identify the direct targets of BP and its interacting factors and detect epigenetic modification changes of the targets. These studies will reveal the molecular mechanism of BP regulate gene transcription in light-mediated seed germination process, which may ultimately be applicable in improvement of properties of crops.

光是调控植物种子萌发重要的环境信号因子。KNOX蛋白作为一类关键转录因子介导了多种植物生长发育过程。然而，目前尚未有KNOX类转录因子介导光调控种子萌发过程及机制的研究报道。我们前期的研究显示，拟南芥I类KNOX转录因子BP作为促进者参与了光调控的种子萌发过程，并调控了萌发相关基因的表达。进一步研究显示，BP直接结合到一些萌发相关基因的外显子区域，并影响这些基因的组蛋白甲基化修饰H3K4me3和H3K27me3水平。本项目拟进行以下的研究：（1）筛选并验证与BP互作的蛋白，特别是表观遗传因子；（2）鉴定BP与互作蛋白参与光调控种子萌发的信号途径及调控的下游基因网络；（3）鉴定BP与互作蛋白直接结合的靶基因及表观修饰的变化。本研究将揭示BP介导光调控植物种子萌发的基因转录调控机制，为农作物的性状改良提供理论基础。

种子萌发是种子植物生命周期中的重要发育事件，它决定了植物何时进入自然或农业生态系统，不适时的种子萌发常会造成农业生产上的巨大经济损失。光是调控植物种子萌发重要的环境信号因子。然而，目前对于光调控种子萌发的网络尚不清楚，一些关键调控因子还有待于被发掘。本研究发现，拟南芥I类KNOX成员转录因子BP正调控PHYB介导的种子萌发过程，基因表达分析发现其表达受到光的调控。蛋白分析表明FR/R条件增强了吸胀种子中BP蛋白的稳定性。进一步质谱检测发现BP蛋白含泛素化和乙酰化修饰位点，但突变K207位点不影响BP二聚体的形成。此外，遗传分析发现BP位于光依赖的种子萌发途径中光敏色素PHYB和重要转录因子PIF1下游。RNA-seq结果显示，在光依赖的种子萌发过程中，BP共调控2238个基因。随后与PIF1转录组对比发现，两者拮抗调控下游基因表达。BP调控了37.3%PIF1在种子萌发过程中调控的基因，主要为种子休眠、激素合成和信号转导、细胞壁代谢和细胞周期相关基因。ChIP-qPCR结果显示，在FR条件下，PIF1通过特异性结合于BP基因的E-box区域，抑制吸胀种子中BP的表达，从而抑制植物的种子萌发；在FR/R条件下，BP直接结合于GA和ABA途径相关靶基因外显子区域，降低靶基因H3K4me3修饰水平和升高H3K27me3修饰水平调控基因表达，从而促进种子的萌发。本研究揭示了光依赖种子萌发途径中PIF1-BP模型的可能作用模式，为今后农作物的性状改良提供理论基础。