植物生物钟时空特异性及其参与农艺性状调控的机理研究

Circadian clock is composed of multiple positive and negative interlocking feedback loops, which are capable of dynamic synchronization and localized to discrete or tissue-specific sites within plants. The spatiotemporal oscillation of circadian clock confers the property of phase occurrence of gene expression, distinct tissue pacemaker, and efficient timing of stress response et al. Functional circadian clock can benefit plants by coordinating physiological activity with cyclic changes of environmental signaling, therefore significantly enhance plant adaptive fitness in response to stress. On the basis of our latest discovery, in this grant proposal, we will gain insight into the mechanism of spatiotemporal dynamics of plant clock and its function in the circadian control of several key agronomic traits. The brief synopsis of this project contain three major sections: 1. Analyze the spatiotemporal configuration of multiple cis-elements in the circadian clock-related promoters; uncover the mechanism of phase-specific circadian regulation of transcription in Arabidopsis; design and complete the construction of peaking-time-selective artificial promoters. 2. Investigate the dynamic recruitment of morning or evening transcriptional factors/cis-element binding complex in the clock-associated promoters. 3. Remodel the circadian rhythms using additional copies of essential core oscillators (e.g., CCA1 and TOC1) driven by clock-regulated and tissue- or stress-specific gene promoters; reinforce the clock function in the control of agronomic traits, such as photosynthesis, biotic and abiotic stress resistance, leaf senescence, flowering time et al.; and further expand the research studies to soybean, anticipating the improvement of growth, survival, and competitive advantage in the soybean cultivation.

生物钟的时空动态调控包含基因转录的相位特异性、组织及胁迫应答特异性等，对于不同信号转导途径起到了“时空隔离”效应，在不同时间段和组织中特异性地启动或抑制生长发育相关基因的表达，减少不必要的拮抗作用，从而使植物能够最大程度地合理分配能量和资源，增强其环境适应性。本课题在前期研究成果基础上，从以下三方面研究生物钟的时间及组织特异性的动态调控机制，探索其在农业生产中的应用前景：1、深入解析生物钟调控的靶基因启动子区生物钟相关顺式元件的组合和空间排布规则，揭示其调控基因转录的相位特异性机理，并用来指导设计人为自主选择峰值的启动子；2、阐明生物钟蛋白复合体在启动子区的招募及动态调节机制；3、利用受生物钟调控的特定组织和胁迫响应基因的启动子改变生物节律振荡模式，揭示其对关键农艺性状（如光合效率、抗逆性、叶片衰老和开花时间等）的影响及作用机制，并进一步用于大豆的品种改良。

生物钟的时空动态调控包含基因转录的相位特异性、组织及胁迫应答特异性等，避免了不同信号转导途径之间的相互干扰，起到了“时空隔离”效应，生物钟调控使得植物可以在不同时间段和特定组织中启动或抑制生长发育和代谢相关基因的表达，减少不必要的拮抗作用，从而使植物能够最大程度地合理分配能量和资源，增强其环境适应性。本课题的研究工作聚焦于植物生物钟的时间及组织特异性的动态调控机制：首先，通过研究从早晨到傍晚时序性表达的PPRs基因家族的启动子上的调控元件，初步阐明了这些顺式元件如何影响PRRs转录丰度的振幅和相位，本课题在PRR9启动子区鉴定了一个全新的决定转录强度和相位的顺式元件，同时揭示了PRR9/7/5/3/1启动子上生物钟元件对表达相位的影响。课题组利用荧光素梅互补技术结合Co-IP等研究蛋白互作的方法，证明了PRRs通过形成同源和异源二聚体，通过时序性地动态互作从而行使转录抑制功能。本课题通过敲除PRRs的EAR、REC和CCT结构域，证明了EAR和REC可能直接影响到PRRs的互作，而CCT结构域对于蛋白互作的稳定性至关重要，在此基础上课题组阐明了PRRs单突、双突和三突的不同组合具有不同周期表型的分子机理。其次，本课题利用组织特异性和胁迫特异性启动子异位超表达关键生物钟基因CCA1/LHY（基于转基因植株中CCA1/LHY的超表达强度，生物钟表型为长周期或无节律表型）和RVE4/8（超表达植株为短周期表型），改变了特定组织或环境条件下的生物钟节律模式，并进一步证明可以通过这种技术来改善植物的光合效率，提高其抗旱性，而且可以适当延长或缩短其开花时间以适应特定的栽培地域。最后，本课题克隆了大豆中组织特异性启动子用于后续组织特异性改良大豆生物钟的工作，并初步揭示了光温可以重置大豆生物钟，同时证明了大豆CCA1突变体的节律表型和拟南芥类似，表现为短周期，但开花表型却恰恰相反，表现为晚花表型。本课题部分成果已经发表研究论文，其余重要研究成果也正在整理和写作中，后续研究工作也在顺利进行。