生长素信号转录因子ARF10和ARF16调控拟南芥种子休眠和萌发的分子机制研究

Seed dormancy may ensure seed plants to survive atrocious weather and avoid competition between individuals of the same species. In agriculture, low level of seed dormancy results in preharvest sprouting when humid conditions persist, causing substantial losses in yield. So it has important theoretical significance and application value to study the regulatory mechanism of seed dormancy and germination. Abscisic acid (ABA) is the sole plant hormone known to induce and maintain the seed dormancy during seed maturation and germination. Our latest results show that auxin is another new key hormone of seed dormancy and its downstream transcription factors ARF10 and ARF16 play a critical role in seed dormancy, which provides a new way of thinking to control pre-harvest sprouting in crops. However, its molecular regulatory mechanism of seed dormancy is not clear. Later We found that ARF10 and ARF16 activate the expression of ABI3 and NCED9 which are two key regulators of ABA signaling and biosynthesis. By sequence analysis, we found that there are auxin response elements (AuxREs) in their promoter regions, suggesting that ARF10/16 may regulate the expression of ABI3, NCED9 or more ABA-related genes by binding to their promoter regions directly. We will give an in-depth study of it and find a ungapped molecular link between auxin and ABA pathway and finally uncover the molecular mechanism of seed dormancy regulated by auxin.

种子休眠可以确保物种渡过恶劣气候，避免同族竞争。农业上，低休眠的种子在阴雨天会穗发芽导致严重的粮食减产。因此，研究种子休眠和萌发的调控机制，具有重要的理论和应用价值。脱落酸（ABA）是已知的唯一能诱导和维持种子休眠的激素。我们最新的研究结果证明生长素是另一种新的正调控种子休眠的关键激素，其下游ARF10/16转录因子扮演了重要角色，这为农业上控制穗发芽提供了一种新思路。然而其调控的分子机制并不清楚。我们后续的研究发现ARF10/16激活了ABI3和NCED9这两个ABA信号和合成关键基因的表达。序列分析发现，它们启动子区都含有ARFs转录因子结合的元件，这暗示ARF10/16可能直接结合到这两个或更多ABA相关基因的启动子区，激活了它们的表达，进而调控了种子的休眠和萌发。本项目将验证这一假说，在生长素与ABA通路之间建立无断点的分子连接，最终揭示生长素调控种子休眠和萌发的分子机制。

种子休眠是种子植物生命周期中一个关键转换点，对于植物物种的繁衍生存至关重要。调控这一过程对于农业生产防止种子穗发芽，也具有重要价值。前期的研究结果证明生长素是另一种新的正调控种子休眠的关键激素，其下游转录因子ARF10和ARF16扮演了重要角色，然而其调控的分子机制并不清楚。.我们的主要研究内容是筛选出ARF10和ARF16直接调控的下游靶基因，然后用一系列生理生化实验技术研究ARF10和ARF16与靶基因启动子的结合情况；用遗传学方法证明 ARF10和 ARF16 调控种子休眠和萌发的效应是否依赖靶基因。.种子休眠性是在种子发育成熟过程中建立的，而DOG1是种子植物中广泛存在的、控制种子休眠性的关键基因。我们研究发现在种子发育成熟过程中，ARF10和ARF16正调控了DOG1基因的表达。一系列生理生化实验结果显示ARF10和ARF16能与DOG1基因启动子中的RY元件（CATGCA）结合，而非常规的生长素响应元件( AuxREs，TGTCTC)。DOG1基因启动子驱动GUS报告基因系统分析显示，ARF10或ARF16基因的过量表达显著诱导了DOG1基因的表达，然而当DOG1基因启动子RY元件突变后，ARF10和ARF16诱导DOG1基因表达的作用丧失，DOG1甚至不表达。表明该元件对于DOG1基因的表达至关重要，不可或缺。ARF16-OE与dog1的双突变体表型（种子休眠性）结果表明ARF10和ARF16调控种子休眠依赖于DOG1。依据以上数据我们建立了2个分子模型：ARF10和ARF16调控种子休眠的分子机制模型；生长素（IAA）信号通路与ABA信号通路之间无断点的信号互作模型。.我们的研究结果表明生长素下游转录因子ARF10和ARF16与DOG1基因启动子的RY元件结合，调控了DOG1的表达，进而调控了拟南芥的种子休眠和萌发。阐明了生长素通过其下游转录因子ARF10和ARF16调控种子休眠的分子机制。前人研究表明DOG1可以与ABA信号通路上的PP2C家族的AHG1和AHG3直接结合互作，抑制了他们对ABA信号的负调控活性。因此本研究的发现在生长素信号通路与ABA信号通路之间建立了一个无断点的分子连接。为阐明这2种激素之间的交流信号网络打通了一个重要的节点。这项研究为农业上调控合适的种子休眠性，提供了新的途径和理论基础。