转录因子RVE3参与脱落酸调控生物钟的分子机理研究

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生物钟是指光照、温度等环境因素对地球上生物体给予输入信号后,生物体内形成的一种以24小时为节律周期变化的自主性机制。植物在感受外界环境后通过调控自身节律震荡从而提高对环境的适应能力。生物钟主要分为输入系统、中央振荡器和输出系统。植物生物钟中央振荡器是由一系列连锁的转录反馈调节环路组成。植物生物钟经典调控环路是由一个夜间表达基因TIMING OF CAB EXPRESSION1(TOC1)和两个晨间基因CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED1(CCA1)、LATE ELON-GATED HYPOCOTYL(LHY)组成。  生物钟精确的调控功能使植物将内源节律振荡与外界环境周期性保持一致,从而提高生物体的适应性。研究表明植物生长发育过程80%的基因都受到生物钟调控,特别是胁迫信号途径的基因。生物钟核心基因的突变体表现出对干旱等环境胁迫超敏感的表型,这暗示生物钟给植物提供一种能预测环境压力从而增强抵抗力的捷径。植物激素脱落酸(ABA)能抑制植物的生长发育过程并使其响应非生物胁迫。以往研究认为生物钟中央振荡器核心组分TOC1能与ABAR/CHLH/GUN5结合参与生物钟调控ABA信号通路,从而提高植物抗旱能力,PRR家族成员PRR7也能调控大量干旱和ABA相关的基因,该研究揭示生物钟调控ABA信号通路的部分分子机理。时至今日关于生物钟与ABA信号通路的具体分子调控机制并未完全阐明,如果能找到解释生物钟与ABA反馈调控环路的具体机制,将具有重大的科学意义。  本研究发现盐、干旱胁迫和ABA处理均能使生物钟周期缩短,ABA处理后可以使生物钟周期由24.5小时缩短为23.5小时,而ABA受体三突变体、ABA信号通路中的磷酸酶PP2C突变体以及磷酸激酶SnRK2s突变体生物钟周期均呈现出对ABA不敏感的表型,表明ABA通过ABA信号转导通路调控生物钟周期。同时,ABA信号通路中的磷酸酶PP2C突变体以及磷酸激酶SnRK2s突变体均表现出生物钟周期变短的表型,暗示ABA上游信号分子也参与生物钟调控。本研究发现植物在有生物钟条件下(12L/12D)比节律微弱的条件(LL)下更耐受ABA胁迫,表明植物对ABA的响应受到生物钟调控。为全面了解植物对ABA的响应是否受生物钟调控以及ABA调控生物钟的具体分子机制,本文在早晚两个时间点分别对Col-0进行ABA处理,再将处理前后样品的全基因组进行表达谱分析,表达谱芯片的结果表明早上施加ABA会诱导更多抗逆基因的表达,晚上外施ABA则会减轻对生长发育相关基因的抑制,这表明植物在白天增强抗逆性,在晚上植物则将更多的生物能用于生长发育,生物钟给予植物精确响应胁迫的能力从而提高其对环境的适应性。此外,本文在基因组表达谱里还发现多个生物钟相关基因被ABA诱导表达,包括RVEs(REVEILLE)家族中部分基因,特别是RVE3,该基因在早晚都能被ABA快速且高量诱导表达,但在ABA受体突变体中不能被ABA信号诱导表达,表明该基因的诱导表达依赖于ABA信号转导途径。该基因虽为RVEs生物钟家族成员,其分子机理研究方面至今仍为空白,通过设计生物钟实验探索RVE3功能后发现,rve3-1缺失突变体呈现出长周期的生物钟表型,其过表达植株RVE3-OX呈现出短的生物钟周期表型,这表明RVE3参与调控生物钟。RVE3被ABA诱导表达,它又具有调控生物钟节律的重要功能,那么RVE3是否参与ABA调控生物钟呢?本研究发现rve3突变体生物钟周期表型对ABA更敏感,而RVE3过表达植株生物钟周期则表现出对ABA不敏感。rve3缺失突变体种子萌发和根长也都表现出对ABA更加敏感的表型。RVE3是如何调控生物钟周期呢?结果显示RVE3作为一个转录因子发挥功能,它定位在细胞核中,酵母单杂交实验表明它能够结合到生物钟夜晚基因的EE区段(Evening Elements,AAAATATCT),进一步的研究表明RVE3在植物体内能直接结合在TOC1的启动子上抑制其转录。而toc1,toc1rve3突变体都表现出对ABA不敏感的表型。结果显示,环境胁迫能够通过ABA信号途径影响生物钟周期,ABA响应也受到生物钟调控。综上所述,植物激素ABA通过RVE3影响生物钟节律,植物生物钟中央振荡器成员RVE3通过抑制TOC1产生节律震荡信号来响应ABA的胁迫压力。
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