植物光周期特定调控核心元件CCT家族复合物的结构与功能研究

The photoperiodic response of plants to flowering induces the transformation from vegetative to reproductive growth, which plays a central role in angiosperms and under critical regulation. The mechanical study of plant flowering answers fundamental biology questions. It is of important significance to understand how plants respond to the photoperiod and to precisely regulate reproductive transformation in developmental biology, and also has great applications in agricultural production. In last decades, key regulatory proteins including CO, TOC1, HD1, and GHD7 were identified in Arabidopsis and rice, which belong to the CCT family (CO, CO-like, TOC1), a group of plant-specific transcription factors. The latest studies have found that CCT family members form complexes with the HAP family protein leading to specific target DNA binding. However, the molecular mechanism by which CCT family coordinates other proteins to recognize different DNA targets remain unclear. In this study, combined with biochemical and structural tools, we will focus on studying the CCT complex assembly and the identification of target DNA. We will determine the key structures of the CCT family such as CO, GHD7 and other members involving in the photoperiod, the complex structures with the HAP family, and with DNA, to reveal the molecular mechanism of specifically DNA recognition. Our finding will not only make great contributions in elucidating the molecular mechanisms of transcriptional regulation in plants photoperiodism, but will also provide some frameworks for crop improvement and rational design in development of superior varieties adaptive to different latitudes.

植物光周期响应开花是被子植物由营养生长向生殖生长转换的关键中间过程，受到严格调控。研究植物开花是生物学基础问题，对于认识植物如何响应光周期并精密调控生殖转换以及生物适应性研究有着重要意义，同时也在农业生产中具有重要的应用价值。在拟南芥和水稻等植物中鉴定了包括CO、GHD7等关键调控蛋白，这类蛋白属于植物特有转录因子CCT家族。最新研究发现这类蛋白需要和HAP家族形成复合物结合特定的靶标DNA。但是对于CCT家族复合物如何识别不同靶标DNA的分子机制并不清楚。本项目将利用生物化学和结构生物学等方法对复合物的组装及靶标DNA的识别进行研究，重点解析光周期中关键CCT家族蛋白结构、与HAP家族互作关系及复合物结构特征、和结合DNA的复合物结构，揭示特异性识别DNA的分子机制。本项目的完成对阐明植物光周期转录调控的分子机制有重要意义，也会为作物定向改良和适应不同纬度优良品种的分子育种提供有用信息。

植物开花时间的精细控制可以提高作物产量，达到高产稳产的目的。植物中一类特定的蛋白家族称为CCT家族蛋白，在植物的开花过程中起关键调控作用。相较于CCT家族蛋白克隆和表型鉴定的研究进展，研究者在理解该家族作用的分子机制研究却较为缓慢。针对代表性成员如拟南芥CO和TOC1、水稻HD1和GHD7等的作用机理，包括这类蛋白是如何整合不同的外界信号调控转录？如何结合特定DNA序列？是否与其他信号通路蛋白互作？CCT家族如何与HAP家族互作以及三元复合物如何结合DNA的分子机制并不清楚。基于此，本项目主要围绕三方面的研究内容进行了展开：1.揭示了CCT家族成员的结构特征；2.解析了CCT家族成员与HAP家族蛋白的复合物结构，揭示CCT家族成员与HAP家族互作的分子基础；3.解析了CCT蛋白和三元复合物结合DNA的结构，研究了CCT蛋白和三元复合物的DNA识别特异性，解释了不同物种中CCT基因突变体的功能失活机制，为利用分子育种手段改良CCT基因来培育高产和广泛地域适应性的作物品种提供了重要参考意义。.此外，在本项目的支持下，扩展了部分研究内容，进一步围绕“植物光受体的激活以及抑制” 等科学问题开展研究，并且取得了一系列研究进展。