转录抑制因子PvERF107与金属应答元件互作降低拟南芥镉抗性的机制

Cadmium (Cd) is a nonessential metal that negatively affects plant growth and development. Plant molecular response to Cd stress is in part dependent on Cd-responsive transcription, in which Cd-responsive element is essential. Metal-responsive element (MRE), originally found in animals, extensively exists in the promoter regions of Cd-responsive plant genes. MRE-mediated transcription and its biological relevant in plant Cd response remain largely unknown. Identification of transcription factors that link MRE to Cd tolerance can extend our understanding of molecular mechanisms underlying Cd-mediated transcription in plants. To provide such transcription factor, we identified an ethylene-responsive element-binding factor (ERF) from bean (Phaseolus vulgaris) that binds to a MRE. We named it PvERF107. Expression of PvERF107 supresses Cd tolerance in Arabidopsis plants possibly through down-regulation of 21 Cd stress-related genes. . We apply this proposal based on above results. The overall objective of this proposal is to further understand the molecular mechanism of PvERF107 interacting with MRE to regulate Cd tolerance in Arabidopsis plants. In the next four years, we wish to achieve the following two specific objectives: 1) Identification of Cd tolerance-related target genes directly regulated by PvERF107 interacting with MRE and then constructing the downstream transcriptional regulatory pathways. 2) Isolation and characterization of transcription factors interacting with PvERF107 in the transcriptional regulation of target genes. Our results should shed light on the common mechanism of MRE-mediated gene transcription in plants.

镉是植物生长发育的毒性重金属，提高作物耐镉是育种目标。镉抗性基因转录调控是植物响应和耐受镉胁迫的保守机制,其中转录因子/镉应答元件互作是核心。金属应答元件(MRE)广泛存在植物镉应答基因启动子区,但其在镉胁迫应答转录和耐受中的调控机制还不完全清楚,鉴定MRE结合转录因子是解析该机制的关键。前期研究中,课题组从菜豆中分离到一个MRE结合转录抑制因子PvERF107。进一步研究表明,PvERF107可能通过抑制21个含有MRE的镉抗性相关基因表达,进而引起Cd胁迫敏感表型。在此基础上,项目拟采用遗传和分子生物学等技术,从21个潜在的调控基因中,筛选和鉴定PvERF107直接调控的镉抗性靶基因,构建PvERF107降低拟南芥镉抗性下游转录调控通路,并从互作转录因子层面解析PvERF107转录调控机制。研究结果对深入理解MRE介导的植物镉应答转录和耐受普遍调控机制具有重要意义。

在动物中，金属反应元件 (MRE) 调节参与包括Cd 在内的重金属解毒基因转录。尽管 MRE 在动植物中高度保守，但人们对转录因子如何在植物中调节这一过程知之甚少。在本项目研究中，我们将菜豆PvERF104（对应于项目书的PvERF107） 鉴定为新的 MRE 结合转录抑制因子并研究其抗镉的转录调控机制。 .取得结果如下：.1# PvERF104的表达提高了拟南芥对Cd的耐受性。.2# 为了鉴定 PvERF104 调控的下游镉抗性靶基因，采用生物信息学筛选了 49 个含有 MRE 的 Cd 应答基因(CdMRE)作为候选。大约 1/3 的CdMRE (16/49) 受到 Cd 显著调控，这表明拟南芥通过协调CdMRE表达谱来应对 Cd 胁迫。.3# 一致地，PvERF104 可以通过与 MRE 结合直接靶向 6 个CdMRE，从而导致 CdMRE的表达谱发生改变。.4# MRE 参与了 Cd 诱导转录，且PvERF104 依赖MRE抑制基因表达。因此，PvERF104 作为一种新的 MRE 结合转录调节因子，至少通过直接靶向与 Cd 反应相关的含有 MRE 的基因来赋予拟南芥对 Cd 的抗性。.5# 我们进一步拓展了PvERF104的拟南芥MRE结合同源基因ERF13和ERF6在拟南芥镉抗性中的生物学功能。突变或过量表达ERF13或ERF6均不能影响拟南芥镉抗性，而双突变体erf13/6提高了拟南芥镉抗性，说明ERF13和ERF6以功能冗余方式调控拟南芥镉抗性。.6# 此外，在研究余力情况下，研究了菜豆ACE元件是一个新乙烯应答元件。.鉴于 ERF 在植物中无处不在，我们的研究结果将为 MRE 如何调节植物对抗 Cd 提供新的见解。目前，项目培养毕业硕士研究生 4名，发表SCI论文(Plants)1篇，投稿（Plant Cell and Environment）在审论文1篇 ,正在撰写论文1篇。