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Plant physiology|中科院植物所研究人员通过EMSA揭示生物钟调控植物光周期依赖性生长的新机制

中科院植物所研究人员在国际学术期刊Plant Physiology(IF:6.9)发表了题为“Pseudo Response Regulators Regulate Photoperiodic Hypocotyl Growth by Repressing PIF4/5 Transcription”的研究论文揭示生物钟调控植物光周期依赖性生长的新机制

文章来源

背景

陆生开花植物自种子破土而出开始,便需要对生存环境中昼夜节律性的光温环境信号变化不断做出适当反应,以增强对环境的适应性。生物钟对于植物感知光周期变化并以此决定不同光周期条件下的昼夜节律性生长动态具有重要作用。双子叶植物幼苗的下胚轴在光周期条件下显示出强劲的生长节律,而且下胚轴的长度与日长呈负相关,这一现象长期以来被认为是由生物钟与光信号协调而决定的,但生物钟如何感知光周期并决定光周期依赖性生长的分子机制目前仍不清楚。

 

结果

PRR与EC共同执行调节光周期下胚轴生长的作用

在不同条件下生长5 d后,测量下胚轴的长度,发现toc1,prr5,toc1 prr5和elf3突变体在SD(8h光照/ 16h黑暗)和长期(LD)下显示出显着更长的下胚轴表型。令人惊讶的是,toc1 elf3和prr5 elf3双重突变体的下胚轴明显长于单个突变体的下胚轴,这表明它们仅在光周期条件下可加性调节下胚轴的生长。此外,PRR9和PRR7的转录阶段显示出与EC相反的模式,但prr7 prr9双重突变体的下胚轴明显长于Col-0,特别是在光周期条件下条件,尽管不是在持续光照下。总而言之,多条遗传证据清楚地表明,PRR与EC在光周期条件下可协同调节下胚轴生长。

图1:TOC1和PRR5与EC协同调节光周期下胚轴生长

图1:TOC1和PRR5与EC协同调节光周期下胚轴生长


日长信息会更改PRR和EC的表达方式

通常,下胚轴长度随着日长的增加而减少。然而,与prr5,elf3或Col-0植物相比,toc1突变体中SD与LD条件下胚轴长度的比率显着增加,这促使我们比较了SD和LD条件下TOC1和其他PRR家族成员的表达模式。随着日间长度的增加,PRR7蛋白保持较高水平。有趣的是,在EC成分中,LUX和ELF4的转录本在SD条件下显示出类似于TOC1的移位模式,而ELF3仅显示出增加的表达水平,而在SD条件下却没有模式移位。因此,似乎日间信息可以在转录和转录后水平上改变PRR和EC的表达相位或延长其表达周期,这可能有助于日间依赖的光周期下胚轴的生长。

图2:在不同的光周期条件下PRR蛋白表达模式

图2:在不同的光周期条件下PRR蛋白表达模式


PIF4和PIF5是PRR和EC的潜在共同转录目标

为了进一步阐明PRR与EC协调调节光周期下胚轴生长的潜在机制,我们确定了它们的直接转录靶标,因为它们都是转录调节因子。令人惊讶的是,在toc1 prr5突变体的上调基因与90个共同靶基因之间重叠的11个基因中发现了PIF4和PIF5,这表明PIF4和PIF5是TOC1和PRR5的潜在直接靶基因。当我们将这11个重叠基因与lux-6突变体中的上调基因进行比较时,PIF4和PIF5再次成为仅有的四个常见共靶标之一。因此,PIF4和PIF5在介导它们对光周期下胚轴生长的调节中成为有前途的EC和PRR的靶基因。

图3:PIF4和PIF5是TOC1和PRR5的潜在直接转录靶标

3PIF4PIF5TOC1PRR5的潜在直接转录靶标


PRR直接绑定PIF4和PIF5启动子以抑制其转录

TOC1和PRR5是否可以直接抑制PIF4和PIF5的转录,是通过使用本烟草叶片和拟南芥原生质体中建立良好的瞬时表达系统监测PIF4pro:LUC和PIF5pro:LUC的生物发光信号来确定的。 瞬时表达分析的结果清楚地表明,PRRs可以抑制PIF4和PIF5的转录活性。 总体而言,我们的研究结果支持以下观点:PIF4和PIF5是PRR的直接转录靶标。

图4:TOC1和PRR5直接结合PIF4和PIF5启动子以抑制其转录

图4:TOC1和PRR5直接结合PIF4和PIF5启动子以抑制其转录


PRR与EC在PIF4和PIF5的定时光周期转录中合作

RT-qPCR结果表明,在toc1 prr5和toc1 prr5 elf3突变体中,PIF4和PIF5转录水平在白天与Col-0相似,但在清晨适度增加,在深夜更为明显。当EC从黄昏到深夜抑制PIF4和PIF5转录时,与toc1 prr5或elf3突变体相比,PIF4和PIF5转录本水平显示toc1 prr5 elf3三重突变体适度但持续增加。同样,在SD和LD条件下,在prr7 prr9和prr5 prr7 prr9突变体中,PIF4和PIF5的转录水平也显着升高。结果显示PRR与EC共同抑制PIF4和PIF5的转录,从而在介导昼夜节律调节的光周期下胚轴生长中塑造其转录模式。

“图5:TOC1和PRR5与EC协调传输日间信息,以调整PIF4和PIF5转录”

图5:TOC1和PRR5与EC协调传输日间信息,以调整PIF4和PIF5转录


TOC1对PIF4和PIF5的直接转录抑制作用是调节其光周期下胚轴生长的必需条件

TOC1异位表达水平等于或低于内源性TOC1,全长TOC1而不是TOC1ΔCCT的过表达也可以完全挽救在SD条件下生长的toc1-21突变体的长下胚轴表型。一致地,全长TOC1的过表达显着抑制了PIF4和PIF5的转录水平,而TOC1ΔCCT则没有。与toc1-21突变体相比,由于TOC1ΔCCT-PIF相互作用和PIF功能的隔离,TOC1ΔCCT转基因株系下胚轴表型可能会适度缩短。TOC1 A562V与EMSA中的PIF4和PIF5启动子结合的能力大大降低,类似于先前关于TOC1 A562V与CCA1启动子结合的报道,toc1-1突变体在SD条件下仍显示出长下胚轴表型,进一步支持了TOC1-PIF转录模块在调节光周期下胚轴生长中起关键作用的观点。

图6:TOC1对PIF4和PIF5的直接转录抑制作用是调节其光周期下胚轴生长的必需条件

图6:TOC1对PIF4和PIF5的直接转录抑制作用是调节其光周期下胚轴生长的必需条件


PIF4和PIF5在调控光周期下胚轴生长中起上位性作用

在TOC1和TOC1 PRR5突变体的长的下胚轴表型,可以部分地由PIF4的任LD或SD条件下的单个基因渗入还原。此外,在TOC1 PRR5突变可完全救出与野生型由PIF4 pif5突变的任LD或SD条件下的基因渗入电平长的下胚轴表型,指示在介导光周期下胚轴生长中PIF4和PIF5的冗余。由于显示PIF4和PIF5的是突变以前报告抑制PRR突变体的长下胚轴SD条件下,我们的证据进一步证明了模式识别受体来的那PIF4和PIF5功能下游介导光周期下胚轴生长。

图片7:PIF4和PIF5对光周期下胚轴生长的TOC1和PRR5具有上位性

图片7:PIF4和PIF5对光周期下胚轴生长的TOC1和PRR5具有上位性


结论

在这项研究中,发现PRR与EC在遗传上可加和地调节光周期下胚轴的生长。我们进一步证明了PRR直接与PIF4和PIF5的启动子结合以抑制其转录,并且通过日间信息改变PRR的时间模式可以随后改变PIF4和PIF5 mRNA的表达模式,从而介导光周期下胚轴的生长。通过使用特定的TOC1等位基因,我们的结果明确表明,PIF4和PIF5的转录调控对于PRR调控的光周期下胚轴生长至关重要。

参考文献:

1:The genetic basis of flowering responses to seasonal cues. Nat Rev Genet 13: 627–639 

2:Photoactivated phytochrome induces rapid PIF3 phosphorylation prior to proteasomemediated degradation. Mol Cell 23: 439–446 

3:Circadian dysfunction causes aberrant hypocotyl elongation patterns in Arabidopsis. Plant J17: 63–71 

下载原文

      原文链接:http://www.plantphysiol.org/content/early/2020/03/12/pp.19.01599

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