拟南芥miR156 调节表皮蜡质合成的功能及机理解析

The primary aerial surfaces of land plants are covered with lipidic cuticular waxes which play a critical role on coordinating plant growth and environmental response. In recent years, much progress about the biosynthesis of plant wax and their transcriptional regulation have been achieved, however, whether post-transcriptional regulation, especially microRNA is involved in the wax biosynthesis, is still largely unknown. In our previous work, we have demonstrated that mutants overexpressing an Arabidopsis microRNA, miR156, greatly inhibited the cuticular wax contents and furthermore, the expression level of wax biosynthesis related genes were also changed. To clarify its role and to reveal the underlying mechanisms, we planned to analyze the function of miR156 and its downstream factors in wax biosynthesis in detail through the combination of genetics, genomics and molecular biology techniques. More importantly, the involvement of miR156 regulated wax synthesis process in plant developmental (age) and environmental (CO2 and temperature) response and their possible feedback roles will be investigated exhaustively. We think the findings will further improve our understanding of plant wax biosynthesis regulation, and also will provide new insights about understanding the interaction mechanisms among plant cuticular wax, development stage and enviromental effects.

植物表皮蜡质是覆盖在陆地植物地上部分表面的一层疏水性脂类物质，在协调植物与环境的关系过程中起着重要作用。尽管蜡质合成通路和转录调控机制已经有了较大的进展，但是microRNA是否参与蜡质合成的转录后调控还不清楚。我们的前期工作已经证明拟南芥中miR156过量表达抑制了表皮蜡质的合成并影响了蜡质合成相关基因的表达。本项目拟在此基础上，通过遗传学、转录组学和分子生物学等分析技术，对miR156调控模块进行系统研究，阐明其在调控拟南芥表皮蜡质合成中的作用及其与其他蜡质合成调控途径的关系，分析发育过程(年龄)对植物蜡质合成的影响，并重点探讨CO2浓度和温度变化通过miR156影响表皮蜡质合成的机理及其下游反应过程。研究结果将进一步完善蜡质的合成调控机制，并为揭示植物表皮蜡质与发育和环境互作机制提供理论依据和借鉴。

植物表皮蜡质是覆盖在陆地植物地上部分表面的一层疏水性脂类物质，是植物响应外界环境最外层的一道屏障，在保护植物免受各种环境胁迫，协调植物与环境关系的过程中起着重要作用。同样，植物表皮蜡质在植物表面的沉积也受各种外界环境因子的调节，其中包括昼夜循环。目前已知白天光照能够促进植物表面蜡质的合成，而晚上黑暗则抑制蜡质的合成。然而，到目前为止，控制光暗调节蜡质合成的潜在分子机制仍然不清楚，尤其在转录后水平的调控，更是知之甚少。本项目首先在发现拟南芥microRNA156过量表达能够明显抑制表皮蜡质合成基础上，通过查找其下游的转录因子，进一步明确microRNA156主要通过其下游的靶基因SPL9调控蜡质的合成。SPL9能够通过直接调控烷烃合成通路上的关键基因CER1，间接调控初级醇合成通路上的关键基因CER4来分别促进蜡质主要成分烷烃和初级醇的合成。这就充分解释了，同野生型相比，为什么microRNA156抑制表达以及SPL9过量表达株系蜡质含量大量提高，而microRNA156过量表达以及SPL9抑制表达株系蜡质含量明显降低的原因。进一步的蛋白互作研究揭示SPL9能够和蜡质合成负调控因子DEWAX相互作用形成一个复合体，并通过干扰SPL9的同源二聚体的形成而阻碍SPL9与下游靶DNA的结合能力，从而抑制其靶基因CER1的表达。我们的研究还发现无论蛋白水平还是转录水平，SPL9都在白天高表达、晚上低表达，相反DEWAX则在白天低表达、晚上高表达，SPL9和DEWAX的这种光暗转换的动态表达模式参与响应光暗调节蜡质合成的生理过程。总之，通过本项目的开展，我们揭示了植物在昼夜转换调节蜡质合成过程中存在一种新的动态机制，即SPL9-DEWAX转录激活-抑制动态调控机制协同介导昼夜转换对蜡质合成的调控。该研究不仅完善和丰富了植物蜡质合成在转录及转录后水平的调控通路，而且还进一步明确了环境信号在调控蜡质合成时，不是简单独立，而是有机整合在一起的，具有重要的理论意义和潜在应用价值。