生长素响应因子ARF7调控植物重力响应的分子机理

Tropic growth is one of the important means to adapt to the various environmental cues, and gravitropism is one of the most common tropic growth which most of plants have to face. It has been found that auxin plays an important role in plant gravitropism. In model plant arabidopsis, an auxin gradient between down- and up-side of the hypocotyl was formed after perception of the gravity signal, and control the differential growth through auxin response factor 7(ARF7) in hypocotyl. However, the molecular mechanism about ARF7, which was the most important auxin response factors involving in hypocotyl gravitopism, was largely unknown. Through systematic and in-depth study in model plant arabidopsis, the molecular mechanism of ARF7 regulated plant gravitropism will be addressed in this study. A series of scientific questions which are related with plant gravitropism will be clarified. For example, which genes are responsive to auxin and involved into the control of cell elongation and gravtropic growth through ARF7? Are these genes involved in hypocotyl gravitropism in arabidopsis?If ARF7 is participating in gravity induced auxin gradient formation through a feed-back regulation?If ARF7 is involved into the differential gravitropic growth between plant stem and root.

植物的向性生长是其适应周围各种不同环境的重要手段之一，而重力响应是植物普遍存在的一种典型的向性生长反应。研究发现，生长素在植物重力响应过程中发挥重要作用。模式植物拟南芥中的研究表明，感受重力信号后，会在拟南芥下胚轴上下两侧形成一个生长素浓度梯度，并主要通过生长素响应因子ARF7，调控下胚轴上下两侧的差异性生长反应。然而，对于已经鉴定到的参与下胚轴重力响应最为重要的生长素响应因子ARF7的作用机理，目前并不是很清楚。本项目以模式植物拟南芥为材料，系统而深入的研究生长素响应因子ARF7调控拟南芥重力响应的分子调控机制。阐明哪些基因响应生长素信号并受ARF7的调控参与细胞的伸长及重力生长反应？ 这些基因如何参与拟南芥下胚轴的重力响应？ARF7是否通过反馈调控机制影响重力诱导的生长素浓度梯度的形成？ARF7是否参与了植物茎端和根端差异性响应重力生长反应的调控等一系列重力响应相关的科学问题。

生长素不仅参与调控植物生长发育，也是介导植物响应周围环境变化的重要信号分子。Auxin Response Factor 7（ARF7）是生长素信号通路中的一个重要调控因子，其介导的生长素信号调控拟南芥下胚轴的向重力性反应。. 本项目以模式植物拟南芥为材料，通过综合分子生物学、细胞生物学、遗传学等技术手段，揭示ARF7调控植物重力响应的分子机理。我们发现ARF7除了介导生长素信号，还参与重力诱导的生长素浓度梯度的建立。并且ARF7调控生长素梯度的建立并非通过调控生长素极性运输实现的。结合生长素处理，我们对arf7和野生型的下胚轴进行转录组分析，并从中筛选到一个编码甲酯酶的基因METHYL ESTERASE 17（MES17）。研究表明，MES17负责将植物体内没有活性的MeIAA转变为有活性的IAA。与arf7类似，mes17的重力响应也明显减弱，且重力诱导的拟南芥下胚轴上下两侧生长素浓度梯度也明显减弱，说明ARF7可能通过调控MES17的表达影响重力诱导的生长素浓度梯度的建立及重力响应。. 遗传分析发现，在arf7中过表达MES17能够部分恢复其下胚轴的向重力性缺陷表型，说明MES17在调控下胚轴的向重力性反应中位于ARF7下游。进一步分析发现，ARF7能直接结合在MES17的启动子上，并激活其转录表达。MES17pro:GFP/GUS的表达分析显示，MES17主要在下胚轴中表达，受ARF7介导的生长素信号诱导。此外，结合重力处理，MES17pro:GFP/GUS的信号在下胚轴中呈现梯度分布状态，同时重力诱导的MES17差异表达受ARF7以及生长素极性运输影响。综上，在拟南芥下胚轴中，重力诱导生长素通过极性运输在近地一侧富集，生长素浓度的升高会进一步激活ARF7，随后诱导MES17表达，加速MeIAA向IAA转化，最终放大了下胚轴近地侧和背地侧生长素浓度梯度，加速了下胚轴的弯曲生长。