NRF1调控拟南芥铁稳态的分子机制

Iron (Fe) is one of micronutrients required for plant growth and development. Fe deficiency affects seriously plant growth and development and is directly related with crop productivity and quality. Also, Fe nutrition is indispensable for human health. It is necessary to reveal the molecular mechanism of Fe homeostasis which will help breeders to breed crops with high Fe concentration and strong adaptation to Fe-deficiency environments. Our previous work revealed the functions of the four genes (bHLH34, bHLH104, bHLH105 and bHLH115) which belong to the bHLH IVc subgroup. Recently, we found that each of these four proteins interacts with Negative Regulator of Fe-homeostasis 1 (NRF1) whose functions are unknown. Preliminary investigation suggests that NRF1 negatively regulates Fe homeostasis in Arabidopsis, demonstrating that the functions of NRF1 are opposite to that of bHLH34/104/105/115. By the combination of plant physiology and molecular biology, the project will focus on the molecular mechanism of NRF1 involved in Fe homeostasis by antagonizing the functions of bHLH34/104/105/115.

铁是植物生长发育所必需的微量元素之一。缺铁严重影响植物的生长发育并直接影响农作的产量和质量。同时，铁也是维持人类健康所必需的营养元素。通过基础研究揭示植物维持铁稳态的分子机制，并利用这些基础理论指导作物遗传改良与育种可以提高作物对缺铁环境的适应性和农作物的铁含量。我们前期的研究揭示了bHLH家族IVc亚族4个基因（bHLH34、bHLH104、bHLH105和bHLH115）的功能。最近，我们的研究发现这4个蛋白可以与一个未知功能的转录因子蛋白NRF1互作。初步研究表明NRF1负调控植物铁稳态，这与bHLH34/104/105/115正调控铁稳态的功能相反。本项目拟结合植物生理学和植物分子生物学探索研究NRF1与bHLH34/104/105/115亚族蛋白相互拮抗调控植物铁稳态的分子机理。

铁缺乏是植物生长发育的重要限制因素，但过量的铁摄入则会导致活性氧迸发引起铁中毒。因此，植物必需严格控制铁的摄入，以维持体内的铁稳态。本项目揭示了bHLH11（又叫做NRF1）维持铁稳态的分子机理。.本研究发现bHLH11的RNA水平和蛋白水平都随着铁浓度的升高而增加。进一步研究发现bhlh11突变体中铁吸收基因的表达增加且铁过量积累；而bHLH11过表达植株中铁吸收基因显著下调，表现出缺铁症状。亚细胞定位分析显示bHLH11在细胞质和细胞核中均有分布，而bHLH IVc可以促进bHLH11蛋白定位于细胞核。瞬时表达实验发现，bHLH11能有效抑制bHLH IVc蛋白对其bHLH Ib基因的激活。bHLH11蛋白的两个EAR（Ethylene-responsive element binding factor-Associated amphiphilic Repression）结构域可以招募TPL/TPRs共转录抑制因子。突变EAR结构域使得bHLH11不再与TPL/TPRs互作，继而失去对bHLH IVc蛋白的抑制功能。.基于以上研究结果，本项目得出以下结论。缺铁条件下，bHLH IVc蛋白激活下游转录因子FIT和bHLH Ib，进而促进铁吸收基因如IRT1和FRO2的表达以增加铁吸收。随着植物体内铁的增多，bHLH11蛋白也不断积累，并在bHLH IVc蛋白的帮助下进入细胞核，通过招募转录抑制因子TPL/TPR从而抑制bHLH IVc蛋白对下游铁吸收基因的激活，以减少植物对铁的吸收。