AHL蛋白调控低磷胁迫诱导根毛形成的分子机理研究

Phosphorus is an essential macronutrient required for plant growth and development. Today, phosphate (Pi) deficiency in soil has become an important constraint for agricultural production. When grown under Pi deficiency, plants trigger an array of adaptive responses. One major response is the enhancement of root hair development, which increases root surafce area to make plants better absorb nutreints from soil. The molecular mechanism regulating this response, however, remains largely unknown. In our previous work, we identified a group of candidate genes that might be involved in Pi deficiency-induced roo hair development through the analysis of transcriptomes of ethylene-related mutants grown under Pi deficiency. Two of these genes, which encode AHL (AT-HOOK) proteins, AHL17 and AHL28,.when overexpressed, cause plants to overproduce root hairs. This phenotype is further enhanced under Pi deficiency. The aims of this research are to understand the functions of these two proteins in mediating Pi deficiency-induced root hair development by elucidating their biochemical functions, identifying their interacting proteins and target genes, and their interactions with the key transcription factors that are involved in the control of root hair development. The results obtained from this research will also provide new strategies for genetic engineering of crops with high efficiency in nutrient uptake.

磷是植物生长发育所必需的大量元素之一。目前土壤缺磷已经成为制约农业生产的一个重要因子。植物在低磷条件下生长时， 会产生一系列应答反应。根毛形成的增加是植物对低磷胁迫的一个主要适应性反应，可以增加根系的表面积以有利于植物更好地吸收土壤养分。但目前关于低磷信号是如何增加根毛形成的分子机制并不清楚。在前期的工作中，我们通过对乙烯信号相关的突变体的转录本分析，鉴定得到一系列位于乙烯下游参与低磷胁迫诱导根毛形成的候选基因。过表达其中AT-HOOK蛋白AHL17和AHL28会导致植物形成大量根毛。在低磷条件下，这些过表达植株的根毛形成进一步增加。本项目将通过阐明AHL17和AHL28的生化功能，寻找其下游靶基因，鉴定其互作蛋白，研究其与已知的根毛发育相关的重要分子组分的关系等，来全面探究这两个AHL蛋白介导低磷胁迫诱导根毛形成的分子机制。本研究也将为培育高效利用土壤养分的转基因作物提供新的思路。

目前世界上的大部分土壤中都存在磷素严重缺乏的问题。为了应对环境中的低磷胁迫，植物会形成大量的侧根和根毛，以提高磷素的吸收效率。在过去的研究中，我们发现将一个AHL17基因在野生型中过表达后，可诱导产生大量的根毛。过表达其同源基因AHL28同样可引起根毛的过量产生。AHL蛋白能与染色体中富含AT序列的DNA结合，调控与各种生物学过程有关的基因转录。但目前对AHL蛋白如何促进根毛形成的分子机制并不清楚。..在本研究中，我们首先发现AHL17过表达植物中，根毛密度的增加是由于产生了许多异位生成的根毛。通过对AHL17::GUS和AHL17::AHL17-GFP转基因植株的分析，发现AHL17主要表达在主根和侧根的维管束组织，以及根毛和柱头等部位。AHL17蛋白主要积累在细胞核。AHL17的转录和蛋白积累都受到低磷胁迫和乙烯的强烈诱导。在AHL17和AHL28过表达植株中，和根毛发育相关的关键转录因子GL2和RHD6等的表达和蛋白积累都没有受到影响。转录组学分析表明， 和野生型相比，AHL17过表达植物中有544个基因上调。在这些上调的基因中，有许多基因直接参与根毛的发育过程。RHD6基因突变可以完全抑制AHL17过表达引起的根毛表型。进一步分析发现，RHD6突变可以抑制84个受AHL17过表达上调的基因，说明这些基因可能就是AHL17的直接靶基因。..序列分析表明，许多AHL17可能的靶基因上都含有多个AT-rich的区域。运用CHIP-seq技术和EMSA方法分析，我们证明了AHL17和AHL28蛋白都能结合到其中的一些AT-rich序列。AHL17和AHL28本身并不具有转录活性，而且和RHD6之间也没有直接的蛋白相互作用。采用IP-MS分析技术，我们发现了三个HSP70蛋白能与AHL17相互作用。 我们用另外三种技术，证明了这三个HSP70蛋白都能后和AHL17和RHD6互作。HSP70的三突变体有严重的根毛形成缺陷。将HSP70的三突变体和AHL17的过表达植株杂交，得到的植株表型和HSP70的三突变体相似，说明AHL17的功能依赖于HSP70的存在。而在HSP70三突变体中过表达RHD6, 会诱导大量的根毛形成，说明RHD6作用于HSP70的下游。..基于以上结果，我们提出了HSP70是如何介导AHL17和RHD6之间相互作用来调控基因表达的工作模型。