Hy5/HYH在拟南芥盐胁迫诱导的转录记忆中的调控作用

To cope with environmental stresses, plants often adopt a memory response upon primary stress exposure to facilitate a quicker and/or stronger reaction to recurring stresses. Recently, histone modification has been implicated in transcriptional memory of stress responsive genes. Our newly published results showed that light signal is positively involved in salt-induced transcriptional memory of P5CS1 and subsequent proline accumulation. Further, a HY5-dependent light signaling is required for the maintenance of salt-induced H3K4me3 in P5CS1 during recovery stage. In this project, we intent to verify our proposed model by carrying out a genome-wide screening in Arabidopsis for more genes whose transcriptional memory and H3K4me3 maintenance are dependent on HY5. In addition, we also plan to investigate whether GBF1/2, a HY5/HYH-interacting partners, are also involved in the maintenance of salt-induced P5CS1 transcriptional memory. The results of current research will not only provide mechanistic insight into the effect of light on salt stress-induced gene transcriptional memory, but also likely open a new route to crop breeding for better stress tolerance.

当植物遭遇重复出现的环境胁迫时，会对初次胁迫产生一定程度的“记忆”。这种“记忆”可以帮助植物更快更强地对后续胁迫做出反应，有助于提高植物的胁迫抗性。近来，染色质的表观修饰在植物的胁迫记忆中的作用日益引起了人们的关注。我们前期的研究结果表明，在重复的盐胁迫下，拟南芥中脯氨酸积累和P5CS1表达的胁迫记忆受到HY5/HYH参与的光信号通路的调控。光信号关键调控因子HY5通过与P5CS1启动子特异片段结合，帮助维持了胁迫恢复阶段P5CS1的H3K4me3水平。本项目计划以拟南芥为材料，在全基因组的尺度上筛选更多受HY5/HYH调控的具有转录记忆特性的基因，进而阐明光对植物盐胁迫记忆的调控网络。此外，我们还对可能参与HY5/HYH复合物的GBF1/2在调控P5CS1转录记忆中的作用进行详细分析，加深对光信号影响染色质表观修饰和基因转录记忆的分子机理的了解。研究结果也将为作物抗性育种提供理论依据。

土壤盐碱化是限制植物生长和影响农作物产量的最重要的非生物胁迫之一，严重危害了全世界农业的可持续性发展。研究植物对外界盐胁迫的应答机制，发掘耐盐基因，不仅具有重要的理论意义，而且对于耐盐作物的育种实践也具有指导意义。本项目通过转录组分析，得到一个受盐胁迫抑制，并且有转录记忆的基因EST1（At5g38390）。相对于野生型est1具有抗盐表型，说明EST1是抗盐的负调控因子。进一步遗传互补实验证实是At5g39390能够互补est1的耐盐表型。EST1在花、果荚和根中表达较高，在莲座叶中表达较低，而在茎中基本没有表达。EST1的表达受NaCl胁迫的抑制，以及ABA和PEG处理的诱导，而对冷胁迫并无明显反应。EST1蛋白定位于内质网。序列分析表明EST1编码F-Box蛋白，酵母双杂交实验发现EST1可以和ASK4，ASK14和ASK18互作，暗示EST1确实具有F-Box蛋白的功能，可能参与泛素介导的蛋白酶体降解。est1突变体和野生型在正常生长条件下离子含量并没有显著差异，而在150 mM NaCl处理5天后，与野生型相比，est1中Na+含量显著降低，相应的具有更高的细胞膜Na+/H+逆向转运蛋白活性，说明est1具有更高的Na+外排的能力，而EST1可能是Na+/H+逆向转运蛋白活性的负调控因子。对est1 sos1双突变体的表型鉴定发现其表现出与sos1单突变体一样盐敏感的表型，如在含盐培养基上不能弯根和叶片黄化，说明EST1和SOS1具有遗传互作的关系，且EST1位于SOS1的上游。.此外，酵母双杂交结果显示EST1可以和MKK4相互作用，并且负调控MKK4的蛋白水平。est1 mkk4双突变体与mkk4单突变体一致，表现为盐敏感，说明est1的耐盐表型依赖于正常MKK4功能。我们也鉴定了est1 mpk6和est1 mpk3双突变体的盐敏感性，发现est1 mpk6双突的表型与mpk6的单突变体表型一致。说明MPK6在盐胁迫应答中位于EST1的下游。.据报道，MPK6可以磷酸化SOS1，以增强其活性。因此，我们推测在正常生长条件下EST1能够与MKK4互作，使其得到泛素化降解，从而使MPK6的磷酸化受到限制，无法使SOS1被充分磷酸化。而在盐胁迫下，EST1的转录受到抑制，使得上述通路去抑制，从而提高SOS1的活性和植株对盐胁迫的抗性。