拟南芥早期热调节基因的转录调控机理研究

Temperatures above the optimum are sensed as heat stress (HS) by all living organisms. When exposed to high temperature, plants have evolved sophisticated mechanisms to detect the changed environmental temperature, regulate gene expression by signal transduction pathway to maintain cellular homeostasis and minimize cell damage. Previously, we found that heat shock could significantly upregulate the expression of heat shock factors (HSFs) shortly after the treatment (5-10 mins). In comparison, traditional plant heat stress response studies used to treat plants for over 30 mins, therefore what observed from these treated plants were physiological conditions mostly resulted from secondary- or multi-level transcriptional or metabolic regulations. In this proposed study, using Arabidopsis as model plants, we plan to study the mechanisms by which heat stress regulate gene expression directly. The objective of this proposed study is to (1) identify genes that are rapidly (less than 10 mins) up-regulated by heat stress treatment; (2) identify the transcription factors as well as upstream signaling components that regulate the expression of heat rapid up-regulated genes. By quantitative proteomic approaches, we plan to identify the post-translational modification sites and the potential interacting proteins of these transcription factors and signaling components. Revealing the role of these post-translational modification sites and binding partners in regulating the expression of heat rapid up-regulated genes will not only establish new standards to determine whether early heat shock signal transduction pathway is activated, but provide new insight into the mechanisms by which heat shock signaling modulates the expression of heat rapid up-regulated genes.

环境温度高于最适生长温度时，植物处于高温胁迫状态。但是植物能感知环境温度变化，通过信号传导途径来调节基因表达以维持高温下胞内的稳态并降低高温对细胞的伤害。在前期研究中，我们发现热激处理5-10分钟就能导致拟南芥热激转录因子的大量表达。传统的植物热激响应研究都是对植物进行30分钟以上的处理，因此结果主要反映的是来源于转录和代谢的二级或者多级调控，并不能够体现热激信号途径对热激直接响应基因的调控。本项目将以拟南芥为材料，采用短时间（10分钟之内）热激处理来研究热激信号传导的原初反应。我们将：（1）寻找表达水平受热激快速诱导的早期响应基因；（2）寻找受热激信号途径直接调节的转录因子和热激信号途径上游元件；并通过蛋白质组学，分子生物学，遗传学等方法来解析热激迅速调节基因表达的分子机理。本研究将为鉴定拟南芥早期热激信号传导通路是否被激活提供新的判断标准，为解析热激信号传导原初反应作用机理奠定基础。

环境温度高于最适生长温度时，会影响植物的生长发育，甚至导致植物死亡。植物能感知环境温度变化，通过信号传导途径来调节基因表达以维持高温下胞内的稳态并降低高温对细胞的伤害。目前我们对植物热激信号传导的分子机制了解得还不是非常的清楚，主要原因为：一，传统的热激信号传导研究热激处理时间太长。这种长时间热激处理后得到的实验结果，体现的是经过各种二级乃至多级转录或者代谢调节后的植物生理状态，不能体现受热激信号传导途径直接调节基因表达的原初反应；第二，缺少一个统一的体现热激信号传导被激活的评估标准。在本项目中，利用RNAseq技术，我们系统解析了拟南芥幼苗在短时间（30分钟以内）37度热激处理后体内转录组水平的变化，发现植物高温信号传导是一个非常快速的过程，最短能够在5分钟激活下游基因的表达，而热激处理10分钟能够非常稳定地促进80多个保守的热激快速响应基因(rHSRs)的表达，说明热激信号能够在10分钟之内完成从信号的感知到促进下游基因表达的全部过程。通过对这些热激10分钟上调的基因的启动子区进行生物信息学分析，我们发现HSFA1家族转录因子和RVE4/8是受热激信号直接激活的转录因子，分别独立调节不同的下游热激响应基因，来调节植物的耐热性。本项目研究的科学意义：（1）找到了一批可以用于显示热激信号途径被激活的标志基因；（2）建立了一个研究植物热激信号传导途径的新系统，即对植物进行37度10分钟热激，通过检测下游rHSRs的表达水平来判断热激信号途径是否被激活。该系统的建立，有利于我们利用遗传学手段来鉴定和区分不同热激信号组份的上下游关系，必将推动热激信号传导研究领域的发展；（3）RVE4/8是生物钟的核心组分，一般在中午时候表达水平最高。RVE4/8作为原初转录因子调节植物高温响应基因的发现，为我们解析24小时生物节律调节植物应对高温的分子机制提供了新的视角。