植物光信号传导途径中的转录调控网络解析

A subfamily of Phytochrome Interacting bHLH transcription Factors (PIFs) collectively promote skotomorphogenic development in dark-grown seedlings. Upon exposure to light, the photoactivated phytochrome induces PIF’s phosphorylation and degradation, thereby triggering the transcriptional changes that drive a transition to photomorphogenesis. The genome-wide identification of PIFs direct target genes reveals a large group of transcription-related genes, indicating that there is a PIF-mediated transcriptional cascade network. Multiple transcription factors work synergistically to regulate the light signaling and plant development. In this project, we will select some of those novel transcription factors for their genetic and molecular functional characterization. Furthermore, we are going to focus on their transcriptional activity genome-wide, including the analysis of genomic DNA binding sites and the identification of differentially expressed genes. By integrating the above analyses, we are able to identify the direct target genes of each transcription factor, and finally establish the primary transcriptional regulation network of light signaling in plant.

在植物体内，一类被称作光敏色素互作因子PIF的bHLH类转录因子能够介导暗中生长幼苗的暗形态建成发育。植物接受光照后，被激活的光敏色素与PIF因子相结合，进而诱导PIF因子的磷酸化修饰与蛋白降解，最终导致PIF因子介导的转录表达调控模式发生转变，植物生长转为光形态建成发育。在基因组水平对PIF因子直接调控的靶基因进行分析显示，存在一大类与转录调控相关的基因受PIF因子的直接调控，暗示在植物体内存在一个由PIF因子介导的转录级联调控网络，通过不同转录因子间的协同作用，实现光信号传导应答与生长发育调控。本项目将从这些新转录因子中筛选研究对象，对其展开相应的遗传学与分子生物学功能分析，并着重在基因组水平研究目的因子的转录调控模式，包括全基因组结合位点、差异基因表达谱分析、以及整合上述分析的直接调控靶基因的鉴定，从而初步建立植物体内光信号传导途径中的转录应答调控网络。

光是植物体最重要的能量来源，它影响着植物从种子萌发、营养生长、生殖发育到果实成熟、植株衰老的整个生命过程。光敏色素是一类重要的光敏感受体，它介导植物对红光和远红光的吸收，并将光信号通过介导PIF类转录因子的磷酸化和降解，从而开启植物从暗形态建成到光形态建成的转变。在基因组水平对PIF因子直接调控的靶基因进行分析显示，存在一大类与转录调控相关的基因受PIF因子的直接调控，暗示在植物体内存在一个由PIF因子介导的转录级联调控网络，通过不同转录因子间的协同作用，实现光信号传导应答与生长发育调控。在本研究中，我们通过对已知的PIFs的靶基因研究分析，结合ChIP-seq和RNA-seq数据,证明PIL1转录因子是PIFs的直接靶基因。研究表明，PIL1转录因子在暗处表达，并可以在红光下与光敏色素phyB互作，这种互作可以被远红光打破。PIL1除了能与光敏色素互作之外，进一步的研究表明，PIL1自身并不具有结合DNA的能力，但是PIL1可以和其他的PIFs形成bHLHs的异源二聚体，而且PIL1与PIF4和PIF5结合后可以抑制PIF4、PIF5结合DNA的能力。通过RNA-seq分析差异表达基因表明，PIL1可以抑制捕光相关基因表达，同时参与多个光信号通路。通过对PIL1的系统研究，我们更深入地认识了植物光信号转录应答机理，以及与其它信号通路间的交叉反应和协同调控. 在更深层次解析了植物光信号传导途径中的转录调控网络，为作物光照调节的遗传改良提供了重要的理论支持。