蛋白磷酸酶6 (PP6) 调控拟南芥暗形态建成的分子机理研究

Arabidopsis protein phosphatase 6 (PP6) is a molecular hub in regulating many developmental processes, but to date the function of PP6 in regulating plant skotomorphogenesis and the molecular mechanism remain unknown. PIF transcription factors are important positive regulators promoting seedling skotomorphogenesis. Phosphorylation modification plays a key role in regulating PIF stability and function, but the phosphatase responsible for dephosphorylating PIF protein and the molecular mechanism of keeping PIF stable in darkness remain to be elucidated. In this project, we propose to study (1) the function of PP6 in regulating plant skotomorphogenesis, (2) the function of PP6 in regulation of PIF dephosphorylation and stability and (3) the genetic interactions between PP6 and PIF in regulating plant skotomorphogenesis. Yield increase is premised on the basis of emergence of seedling. Skotomorphogenesis is a fundumental developemntal stage for emergence of seedling. The accomplishment of this project will uncover the important function of a key protein phosphatase in regulating plant skotomorphogenesis, improve the regulatory network of plant skotomorphogenesis on one hand, and provide theoretic guidance for agricultural genetic breeding programs seeking to promote the rate of emergence on the other hand.

拟南芥蛋白磷酸酶6 (PP6) 是多种发育途径中的分子调控中枢，但其参与植物暗形态建成的功能及分子作用机理至今仍鲜为人知。PIF类转录因子（PIF1、PIF3、PIF4、PIF5）是促进植物暗形态建成的关键调控因子，其功能受磷酸化修饰调控，但催化PIF去磷酸化的磷酸酶和维持PIF在暗环境中稳定性的分子机制仍不明了。本项目组前期研究发现PP6在暗中表达积累并与PIF3互作进而催化PIF3去磷酸化。在此基础上本项目拟研究：（1）PP6调控植物暗形态建成的功能；（2）PP6对PIF1、PIF4、PIF5去磷酸化和稳定性的调控；（3）PP6与PIF在植物暗形态建成中的遗传互作。暗形态建成是种子出苗必经的发育阶段。本项目研究内容的完成，将揭示关键磷酸酶调控植物暗形态建成的功能并完善暗形态建成的分子调控网络，为农作物通过遗传改良来提高种子出苗率的生产实践提供理论基础。

光是一种重要的环境因素，对植物的生长发育至关重要。土壤中萌发的幼苗，会经历一段时间的暗形态建成；当幼苗破土而出感受到光照时，会立刻进入光形态建成。暗形态建成的发育有利于植物的出土，而光形态建成的发育则利于植物进行光合作用并进入自养生长。在拟南芥中，PIFs (phytochrome-interacting factors)转录因子是光形态建成中的关键抑制因子。植物光受体感受到光后，能迅速引发PIFs的磷酸化修饰和降解，启动植物的光形态建成。参与调控PIFs磷酸化修饰的激酶已被大量报道，但调控PIFs去磷酸化的磷酸酶却鲜有报道。.新型磷酸酶PP6 (Protein phosphatase 6) 是一类丝/苏氨酸蛋白磷酸酶，能与相应激酶拮抗性地调控蛋白质的磷酸化修饰。本项目研究发现，PP6能介导PIFs去磷酸化修饰，并在黑暗下抑制了植物的光形态建成。PP6的催化亚基FyPP1(Phytochrome-associated Ser/Thr protein phosphatase 1)和 FyPP3的双突变体fypp1 fypp3 (f1 f3) 在黑暗下呈现出短下胚轴、子叶张开的光形态建成表型，类似于黑暗下生长的pifq (pif1 pif3 pif 4 pif5) 四突变体。遗传分析显示pifq f1 f3六突变体的下胚轴长度显著短于Col，并短于亲本pifq和f1 f3 ；说明PP6和PIFs协同抑制了植物在黑暗下的光形态建成。作者通过生化实验证实，PP6能与PIF3和PIF4蛋白直接相互作用，并调控PIF3和PIF4的去磷酸化修饰。另外，转录组分析显示PP6和PIFs共同调控大部分基因的表达；转录激活实验进一步证实PP6正调控PIF的转录活性。红光会诱导PIF蛋白迅速的降解，本项目发现PP6对PIF4蛋白的去磷酸化修饰能减缓PIF4蛋白在去黄化过程中的降解速率，并促进PIF4蛋白在持续红光下的本底积累。另外，超量表达PIF4能显著恢复f1 f3在持续红光下的短下胚轴表型。本项目的研究揭示了新型磷酸酶PP6介导PIF转录因子的去磷酸化修饰，进而抑制拟南芥光形态建成的分子调控机制。考虑到磷酸酶PP6在植物中十分保守，本项目所取得的成果还将为包括玉米在内其它农作物中/下胚轴发育机制的研究提供参考，为作物耐深播农艺性状的改良提供基因资源和理论指导。