光与乙烯核心组分调控幼苗出土存活分子机制研究

The early life of terrestrial seed plants often starts under the soil in subterranean darkness. The ability of seedlings to emerge from soil and acquire autotrophic ability is vital for plant survival. However, the mechanism under this process is largely unknown. It has been shown that phytohormone ethylene gas is induced by mechanical stress. The master transcription factor EIN3/EIL1 in ethylene signaling pathway plays a crucial role in modulating seedlings growth and development to grow out of soil. We further found that the central repressor of photomorphogenesis COP1 is required for seedling to emerge from soil, suggesting the important role of light in mediating seedling growing out of soil. In this proposal, we will carry out the following research: 1) to investigate the functions of EIN3/EIL1 and COP1 in regulating seedling to emerge from soil, via examining the soil emerging phenotypes of related mutants and transgenic plants; 2) to specify the genetic and biochemical relationships of EIN3/EIL1 and COP1 and investigate whether and how COP1 and EIN3 regulate each other in the transcriptional and post-transcriptional levels. 3) to examine the transcriptional regulation of COP1 and EIN3/EIL1 on the global genomic level, illustrating the transcription framework of light and ethylene coordinately regulating seedling to grow out of soil. Taken together, our proposed research aims to demonstrate the molecular interactions of light and ethylene in plant development, improving our understanding of how seedlings adjust their growth in according to the mechanical stress and light conditions in the soil environments.

幼苗从土壤中生长出来并成功实现光合自养是决定陆生种子植物能否存活的关键过程。我们先前揭示了土壤机械压力可诱导植物产生气体激素乙烯，并通过转录因子EIN3/EIL1调控幼苗生长出土。进一步研究，我们初步发现光信号通路核心组分COP1对幼苗的出土存活十分重要。但光信号通路怎样调控幼苗出土，以及幼苗怎样整合光与乙烯信号通路，实现出土存活的机制尚未清楚。本课题分为三个部分：1）深入研究EIN3/EIL1和COP1对幼苗出土过程生长发育的调控作用；2）确定EIN3/EIL1与COP1在幼苗出土过程中的上下游遗传关系及蛋白分子调控机理，阐明光与乙烯共同调控幼苗出土存活的核心机制；3）高通量测序分析出土过程中，光与乙烯通路所共同以及各自独立调控的全基因组表达，构建光与乙烯共同介导幼苗出土存活的分子信号网络。这些研究将大大加深我们对植物幼苗怎样整合光与乙烯信号通路，实现出土存活分子机制的认识。

植物幼苗出土是自然界广泛存在的生命现象，决定了植物能否成活。在本项目的资助下，我们深入研究了关键环境因子（光照与土壤机械压力）和内源植物激素（乙烯）对幼苗出土过程的整合调控分子机理。我们确定了COP1位于EIN3/EIL1上游，调控土壤中幼苗形态建成，促进幼苗出土存活。分子生化实验发现COP1能直接结合，并泛素化降解两个F-box蛋白，EBF1和EBF2。由于EBF1、2是降解EIN3的E3泛素连接酶组分，因此COP1最终稳定了EIN3蛋白的积累。我们进一步确定COP1与乙烯是相互独立的两条信号通路，共同调控着EIN3蛋白水平。深入研究幼苗出土过程，发现随着幼苗向上生长，土壤中光照逐渐增加，抑制COP1蛋白功能，从而相应下调EIN3蛋白使得幼苗适应出土过程中土壤深度的变化。该研究发现植物幼苗感应土壤中光照强度变化的核心功能蛋白，并揭示了出土过程中幼苗感知土壤深度变化而相应调整其生长发育的分子信号通路。.. 土壤中萌发的植物幼苗需要在下胚轴顶端形成弯钩，保护脆弱的顶端分生组织。我们发现机械压力可以通过乙烯信号通路及EBF1和EBF2蛋白的作用，调整EIN3的蛋白水平，激活顶端弯钩形成关键基因HLS1的表达，并通过HLS1蛋白多聚与光控解多聚，使得幼苗能够根据土壤条件相应调整其顶端弯钩的形成。为了阐明光照与乙烯信号通路所介导的转录调控网络，我们同时突变了四个PIFs与EIN3及EIL1，并在六缺突变体中组成型过表达HY5，构建出了HY5ox/pif1345ein3eil1的多重突变体与过表达材料。全基因组测序分析发现，该植株中有近三千个基因的表达在黑暗中发生了逆转，组成型呈现为出土后幼苗的表达模式。分子遗传学与转录组测序分析的结果相互印证，表明这三类转录因子是调控出土幼苗形态建成的核心转录因子，共同介导出土前后幼苗的全基因组转录调控，实现形态建成的巨变。.. 通过本项目，我们在《Developmental Cell》，《PNAS》，《Current Biology》等国际一流学术期刊上共发表了五篇高水平研究论文。研究成果大大加深了人们对幼苗出土这一常见自然现象的认识，也为农业生产中怎样提高农作物幼苗出土存活效率提供了理论基础。