植物生物钟转录抑制子PRRs反馈调节糖信号的分子机理研究

Recent studies have discovered a reciprocal relationship between plant circadian clock and sugar signaling pathways. For example, PRRs(Pseudo Response Regulators) mediated the photosynthetic entrainment of plant circadian clock. However, the feedback regulating mechanism of sugar signaling pathways by circadian clock still remains elusive. In this project, we will decipher its underlying mechanism through establishing the molecular module of PRRs-TZF1 and further investigating the mechanism of their downstream sugar signaling. By combining biochemistry, physiology, genetic and bioinformatics approaches, we are aiming to elucidate the regulation mechanism of PRRs-TZF1 in mediating circadian clock regulation on sugar signaling pathways. The specific research program is: 1) To demonstrate TZF1 is a direct downstream target gene of PRRs by using chromatin immunoprecipitation, yeast one hybrid and protoplast transient system；2）To investigate whether TZF1 mediating circadian output rather than function as central clock component via real-time live bioluminescence image system and RT-qPCR approaches; 3) To explore the necessity of TZF1 in the output of PRRs to regulate sugar signaling pathways by using physiological and genetic analysis. The aim of this project is to explore the molecular mechanism of circadian clock in regulating sugar signal transduction. Our research will elucidate the cross-talk mechanism of the plant circadian clock and sugar signaling and possibly serve as a chronobiological basis for potential agriculture utilization.

生物钟为植物生长发育提供适应性优势，糖信号调节光合作用等多个关键发育过程，二者之间存在密切互作关系。糖信号通过生物钟转录抑制子PRRs调节生物钟的节律，PRRs也反馈调节糖信号，但目前对PRRs如何反馈调节糖信号尚不清楚。我们前期研究发现，在PRRs突变体中糖信号响应因子TZF1的表达水平显著上调；TZF1超表达植株和PRRs突变体具有相似的生理表型等。本项目将深入研究 PRRs通过调控TZF1转录水平反馈调节糖信号的分子机理，以及TZF1是否反馈调节生物钟节律。研究内容包括：利用ChIP、EMSA和原生质体转化系统等解析PRRs对TZF1基因的表达调控机制；遗传学分析PRRs反馈调节糖信号转导过程中TZF1的作用；基于植物荧光实时成像分析，研究TZF1对生物钟节律的调节等。本研究将揭示生物钟通过PRRs-TZF1信号模块反馈调节糖信号的分子机制，明确在时间维度上糖信号调节的动态过程。

生物钟通过感知及预测光温等环境因子的昼夜节律性变化，以协调生理与代谢活动和多种发育过程，在时间维度为植物生长与发育提供了适应性优势。在植物中，根的生长发育是否受到生物钟的调控还不清楚，拟南芥中糖介导的TOR信号可以通过感受细胞的能量状态调控根尖分生区细胞增殖的活性。在动物中的研究表明生物钟与感知细胞内部能量稳态的TOR信号之间存在紧密的相互调控关系，而在植物中生物钟与TOR信号的关系还不清楚。本项目通过多种生理生化实验，并结合遗传证据，全面系统地解析了植物生物钟核心振荡器关键因子PRR5、PRR7和PRR9通过TZF1-TOR信号轴调控植物根的分生组织区细胞分裂的活跃程度，进而调节根的形态发育的分子机制。研究发现TOR基因的转录水平呈现较强的昼夜节律性动态，利用已经发表的大数据进行生物信息学分析表明PRRs蛋白与TOR参与调控的基因存在较高的重叠，暗示PRRs与TOR信号之间可能有密切调节关系。进一步生理实验发现PRRs的突变体对糖激活的TOR信号敏感性降低，生化实验分析表明prr579突变体的根中TOR的转录水平下降，根尖分生区细胞增殖活性减弱，根的生长也受到限制。进一步研究发现prr579突变体中具有结合RNA能力的蛋白编码基因TZF1表达上调，并且PRRs能够结合TZF1启动子并抑制其转录表达。生化和遗传分析表明PRRs与TZF1作用在同一信号通路调节拟南芥根的形态发育，而TZF1能够结合TORmRNA并影响其稳定性，从而负调控TOR信号激活的根尖分生区细胞增殖，进而影响根的形态发育。另一方面，使用线粒体氧化磷酸化解耦连剂阻断TOR信号上游能量传递以及使用抑制TOR激酶活性的化学试剂处理都可以引起生物钟周期延长，并且降低TOR的表达水平也可以导致生物钟周期延长，表明减弱TOR信号会影响生物钟节律，说明感受细胞内能量状态的TOR信号反馈调节生物钟。本研究从生物钟与细胞能量稳态的相互调控关系，揭示了生物钟输出途径的一个新的分子调节机制，为了解植物适应环境的进化机制增加了新的知识。