拟南芥避荫突变体的克隆与突变基因的功能研究

When sun plants are under the shade of another plant, they induce a series of responses that are collectively called the shade avoidance responses. The most prominent response is the elongation growth in stem and petiole. Regulation of shade avoidance responses involves several phytohormones and occurs at multiple levels, which together forms a complex signaling network. For crops planted at high density, shade avoidance responses often result in reduction in yield, as during the response, energy is reallocated from leaves and storage organs towards elongation growth. When plants are under the vegetative shade for prolonged period of time, they enter reproduction growth stage pre-maturely, which results in less seed production and poor seed quality. Shade avoidance responses were also reported to cause reduced disease resistance to insects and pathogens. So studying the molecular mechanism of shade avoidance responses would allow us to understand how plant response to stress through coordinated actions of multiple hormone pathways. And it would also help us develop molecular markers for crop breeding.. In our previous work, we isolated several Arabidopsis shade avoidance mutants (sav) using shade induced elongation growth as a selection marker. Through this study, we cloned a key regulator of the shade avoidance responses, TAA1. In the current proposal, we plan to classify the mutants based on their phenotypes, clone the interesting sav mutants and study the biological functions of the mutated genes. Through this work, we hope to identify more components in the shade avoidance signaling network.

避荫反应是喜阳植物为了躲避其他植物的遮荫而诱导的以伸长生长为主的一系列反应。它涉及多种植物激素的协同作用和多个层面的调控，是一个复杂的信号转导网络。对于密植的农作物，由于避荫反应会调节能量由叶片和贮藏器官向可以伸长的茎和叶柄的转移，同时诱导提前开花，降低结实率，降低抗病性，因而会导致作物减产。了解避荫反应的机制，不仅可帮助我们研究植物在对逆境的应激反应中多种途径的协同机制，同时将为辅助作物育种提供理论依据。. 在前期工作中，我们通过正向遗传学的方法，以避荫反应最主要的效应，伸长生长为筛选标记，筛选了一系列拟南芥避荫突变体，并且克隆了重要的避荫调控基因TAA1。在本项申请中，我们将首先通过表型分析对突变体进行分组，找出可能在新的调控基因上发生突变的突变体，克隆其突变基因，进而研究突变基因的生物学功能和在避荫反应中的作用。我们的初步实验结果表明，这些突变体中存在未知功能的基因的突变。

避荫反应是喜阳植物为了躲避其它植物的遮荫而诱导的以伸长生长为主的一系列反应。它涉及植物对外界环境变化的响应机制以及多种植物激素的协同作用，是研究植物信号转导网络的良好的体系。同时，避荫反应也是一个重要的农业性状。密植作物一旦诱导避荫反应会调节能量由叶片和贮藏器官向可以伸长的茎和叶柄的转移，同时诱导提前开花，降低结实率和抗病性，进而导致作物减产。了解避荫反应的机制，不仅可帮助我们研究植物在对逆境的应激反应中多种途径的协同机制，同时将为辅助作物育种提供理论依据。.本项目中，我们通过正向遗传学的方法，筛选避荫反应相关突变体。通过对突变基因的克隆及其功能研究，我们期望获得对避荫反应机制更深入的了解。.通过四年的研究，我们克隆并研究了两个避荫突变基因SAV4和SAV6。.SAV4编码一个未知功能基因，其编码蛋白呈双重定位：细胞膜和细胞核定位，并且膜定位蛋白极性定位于细胞上端，靠近茎尖的方向。进一步的研究表明SAV4可抑制生长素输出蛋白ABCB1的转运活性。鉴于SAV4在细胞膜上的极性定位，我们推测在避荫反应过程中SAV4可特异性地阻断生长素向茎尖方向的回流，从而达到促进生长素向下胚轴的运输，引起遮荫诱导的下胚轴伸长。该研究结果已发表于 Plant Physiology。.SAV6编码拟南芥FLAP核酸内切酶，FEN1，的同源蛋白。我们证实了SAV6确实具有FEN1的多种酶活性，发现SAV6的突变影响了根尖分生组织的发育，sav6突变体对紫外线和导致双链DNA损伤的诱变剂超敏感的表型等。我们提出在突变体中，持续的DNA损伤胁迫促进根尖干细胞组织中心细胞的分裂，使其丧失干细胞组织中心的特征，从而影响根尖分生组织的发育。相关结果发表于Nucleic Acids Res。尽管SAV6间接影响了植物的避荫反应，但是其突变表型说明维持稳定的基因组是避荫反应发生的前提条件，反应了植物应对不同胁迫时的优先等级分配。