光调控黄化苗顶端弯钩打开的分子机制

In order to successfully emerge from soil, seedlings must regulate their growth and developmental morphogenesis in adaption to ambient soil environment. In the soil, the seedlings adopt apical hook curvature to avoid soil mechanical stress damage, protecting the fragile apical meristem. After growing out of soil, light rapidly induces the hook opening and initiate photomorphogenesis. However, the molecular mechanism how light regulates hook opening is largely unknown. Our preliminary data have shown that the red light photoreceptor phyB and the master factor in hook development HLS1 protein interact with each other and also play important roles in light-induced hook opening. In this proposal, we will examine the genetic relationship and characterize the protein interactions between phyB and HLS1. Then we will investigate the transcriptional and post-transcriptional regulations of HLS1 by light, and we will further elucidate the molecular and biochemical mechanism under how light regulate HLS1 gene expression and protein activities. Moreover, the kinetics of hook opening upon various light conditions will be quantitatively analyzed. We will combine the data of multi-leveled regulations of HLS1 and build the mathematical model of light-induced hook opening. Taken together, this study will reveal the novel actions of which the red light photoreceptor directly regulates target protein activity, and comprehensively demonstrate the signal transduction networks of light-induced hook opening upon soil emergence, providing the theoretical basis for improving the seedling soil emergence ability in the agricultural industry.

在出土过程中，植物幼苗需根据土壤环境调控自身形态建成实现破土而出。在土壤中，幼苗顶端形成弯钩以减少土壤机械损伤，保护顶端分生组织。破土而出后，光诱导顶端弯钩打开，及时启动光形态建成，但是，光调控幼苗顶端弯钩打开的信号通路尚未清楚。我们的初步结果显示红光受体phyB与顶端弯钩形成关键蛋白HLS1直接互作且在光打开顶端弯钩过程中具有重要作用。本课题将深入分析phyB和HLS1的遗传关系以及蛋白相互作用的特点。探究红光对HLS1转录和转录后调控作用，阐明红光调控HLS1基因表达和蛋白质活性的分子机制与生化基础。最后，定量分析不同光照条件下顶端弯钩打开的动力学特征，结合HLS1上游多层次调控方式的数据，利用系统生物学建立光调控顶端弯钩打开的数学模型。本课题将首次揭示红光受体直接调控蛋白质活性的全新作用机制，系统阐述光调控出土幼苗顶端弯钩打开的分子信号网络，为农业中提高幼苗出土存活能力提供理论基础。

在出土过程中，植物幼苗需根据土壤环境调控自身形态建成实现破土而出。在土壤中，幼苗顶端形成弯钩以减少土壤机械损伤，保护顶端分生组织。破土而出后，光诱导顶端弯钩打开，及时启动光形态建成。但是，光调控幼苗顶端弯钩打开的信号通路尚未清楚。本项目从HLS1的转录水平及蛋白构象水平系统揭示了光信号对幼苗顶端弯钩调控的分子机理。. 我们首先构建了HY5ox/pifQein3eil1转基因植物，该转基因植株具有组成型出土后的形态建成，表明PIFs、HY5和EIN3/EIL1这三类转录因子是调控出土幼苗形态建成的核心转录因子。我们进一步在pif1345ein3eil1六缺突变体中过表达单个PIFs和EIN3，发现任意PIFs或EIN3蛋白均能独立结合HLS1的启动子上激活其基因表达，表明PIFs与EIN3/EIL1相互独立调控HLS1基因表达，帮助幼苗适应出土过程中的复杂的光照和机械压力环境。研究揭示了三类转录因子协同多重环境因子调控出土过程中幼苗顶端弯钩发育的转录调控机制。. 进一步，我们发现35S:Myc-HLS1/hls1-1中的HLS1转录水平不受光照调控，但是其顶端弯钩见光后仍能打开，说明光信号可以在转录后水平调控HLS1的功能。一系列生化实验表明HLS1蛋白具有自身互作，可以形成蛋白寡聚体，且其寡聚体是行使功能的活性形式。光通过光受体phyB促使HLS1寡聚体解聚为单体抑制HLS1的功能。深入研究发现phyB能与HLS1蛋白直接互作，显著抑制HLS1自身的互作，将HLS1蛋白从多聚形式裂解为单体形式，从而迅速抑制HLS1的活性，促进顶端弯钩的打开。在黑暗中生长的幼苗，phyB定位于细胞质中，细胞核内HLS1蛋白形成寡聚体维持顶端弯钩。见光后，phyB进入细胞核与HLS1直接互作，将HLS1解聚为单体实现对HLS1功能的快速抑制。通过这种蛋白质多聚与解多聚的分子机制，植物实现了在出土过程中光信号对幼苗顶端弯钩的动态调控。. 通过本项目，我们在《PNAS》和《Developmental Cell》等国际一流学术期刊发表研究性论文4篇和综述性论文2篇。出土幼苗顶端弯钩调控分子机制的揭示不仅为我们深入理解植物适应复杂外界环境提供了理想的研究范例，也为在农业生产提高出土幼苗适应和存活能力奠定了理论基础。