植物开花时间基因参与气孔运动调控的分子机理研究

Stoma is one of the key innovations during adaptation and conquering the land for plants. A well-coordinated development and movement of stomata on the surface of plants allows efficient gas and water exchange between plants and their surroundings. Although the balancing between floral transition time and stomata movement, which plays key roles during water deficiency, the molecular mechanisms of how these two processes are coordinated remain spur. The newly-evolved miR824-AGL16 module in Arabidopsis thaliana plays important roles in controlling the flowering time transition, while our first ChIP-seq data suggests that this module might also function in regulating stomatal aperture. Via applying methods in genetics, molecular biology, evolutionary biology as well as biochemistry, this proposal will address whether the miR824-AGL16 module plays a role in controlling stomatal movement, will try to reveal the molecular and genetic mechanisms underlining this molecular function, will attempt to figure out the ecological consequences of this module for plants to reach their highest fitness. This project will in one hand help to decipher the evolutionary complexity of the miR824-AGL16 module with an aim to enhance crops breeding with drought tolerance, and in the other hand help in understanding the molecular mechanisms of biodiversity production and maintenance.

气孔是植物控制气体和水分交换的最关键器官，研究其发育和运动过程对于揭示植物感应环境变化并调节自身发育过程从而实现最大适应性来说具有非常重要的意义。植物的开花时间与气孔运动之间存在着密切的关联，但其分子调控机制尚缺乏深入研究。本项目将利用开花时间调控基因miR824-AGL16体系为模式，利用遗传学等手段揭示该体系在调控气孔运动过程中的作用；采用RNA-seq和ChIP-seq等分子生物学手段分析该体系调控的下游基因网络和分子路径；尝试酵母双杂、Split-YFP和蛋白免疫共沉淀等生化手段阐释开花基因调控形成蛋白复合体来调控气孔运动基因的转录调控模式；分析该体系在生物适应过程中的贡献；为揭示开花时间调控与水分胁迫响应之间的分子纽带奠定重要基础。本项目将一方面为提高和培育高抗逆植物体系奠定理论基础和候选基因，也会有助于我们理解生物多样性产生和维持的分子机制。

AGL16是目前发现的很少能同时调控植物开花时间和气孔发育的转录调控因子之一。本项目利用一系列分子遗传学手段来解析AGL16参与协调开花时间与气孔发育/运动的分子机制。结果发现：.1）AGL16主要作为转录抑制因子发挥生物学功能。AGL16调控的差异表达基因（DEGs）和下游靶标基因功能涉及诸多方面，其中最醒目的DEGs功能注释是ABA信号通路相关，有11个上调基因与ABA激活信号通路相关；有17个ABA刺激响应基因（包括PYL4、 PYL5等ABA受体）。ABA信号途径控制气孔发育与运动，从而调节水分胁迫适应，故理解AGL16与这些ABA信号分子之间的调控关系对本项目至关重要。.2）AGL16功能缺失或表达抑制造成显著失水速率降低，失水速率降低一般与气孔密度降低或/和气孔运动有密切联系；而已知SOC1可影响气孔运动。AGL16与SOC1形成异源蛋白复合体并共同靶向100多个基因，这些基因广泛参与植物生长发育及各种生物、非生物逆境相应过程，与响应刺激、水分丧失、氮代谢等相关方面富集程度很高。推测AGL16及相关蛋白复合体通过调控气孔高级结构形成或/和ABA信号通路相关基因来响应水分丧失。.3）AGL16直接与两个ABA受体基因在染色质和蛋白层面存在物理互作，且该互作显著影响植物开花行为。我们发现AGL16可直接结合到1个受体基因的转录调控区，并与SVP一起影响该受体基因的表达。同时AGL16与该受体蛋白及另一个ABA受体蛋白直接物理互作，形成异源复合体，继而调控下游基因如FT和SOC1等表达来实现对开花时间与ABA信号介导的水分适应过程。该结果发现了AGL16及其蛋白复合体是非常少能直接调控ABA受体活性的上游因子。.4）AGL16与另一个水分胁迫响应因子MYB44存在直接互作。 AGL16显著抑制MYB44表达并直接结合到MYB44的转录调控区，而已知过表达MYB44植物可以快速关闭气孔以减少失水率从而提高存活可能。有意思的是，同时失去AGL16和MYB44功能的双突变体通过影响FT等基因表达展现出早花现象。.本项目实施为我们理解植物协调开花时间与水分适应的分子机制奠定了关键基础，为理解ABA信号途径的上游调控因子及其调节机制提供了关键数据，具有重要的科学价值。