植物生物钟基因LNKs表达调控及其影响重要农艺性状的分子机理研究

Endogenous circadian pacemaker synchronizes daily and seasonal behavior of organisms to the periodic environmental changes. We have reported that NIGHT LIGHT-INDUCIBLE AND CLOCK-REGULATED1, LNK1 and LNK2 function as transcriptional coactivators in the Arabidopsis circadian oscillator (Plant Cell 26, 2843-2857). In this grant proposal, we focus on the functional characterization of LNK1/LNK2/LNK3/LNK4 in the circadian clock and the control of major agronomic traits in Arabidopsis and rice. We wish to inquire if the presented differences of protein domain between LNK1/LNK2 and LNK3/LNK4 reflect their diverse roles in circadian function, and potential dynamic combinations of clock morning oscillators, which could play a dual but critical role with CCA1/LHY in the circadian expression patterns of PRRs. We note that mutation of LNK1/LNK2 caused enlarged seeds size, the transcription of LNK1 is sensitive to the environmental CO2 changes, and lnk1 defects in the inhibition of CCA1 expression with elevated CO2. It is worth to decipher the molecular mechanism of the determination of seeds size, and LNKs integrating clock and photosynthesis in plants. We also expanded our circadian research of LNKs to the monocot rice, predicting the function of OsLNK. We propose to alter the curve of biological rhythms and enhance the connections between circadian clock and improvement in grain yield potential and associated agronomic traits as a major concern.

生物钟调控使得诸多物种有效地适应环境因子的周期性变化从而增强其生存竞争能力。我们的前期工作揭示LNK1/LNK2作为植物生物钟负反馈环路关键组份，与生物钟核心蛋白CCA1/LHY/RVE8/RVE4形成早晨复合体并参与PRRs转录激活调控（Plant Cell 26, 2843-2857）。本课题将以拟南芥和水稻为材料，从生物钟核心机制调控和下游重要农艺性状两方面深入研究LNK家族的生物学功能。研究内容包括：揭示LNK1/LNK2与LNK3/LNK4由于蛋白结构域差异可能导致的不同作用模式和功能；从LNKs与生物钟早晨蛋白间动态互作的组合调控入手，探究长期困扰生物钟研究者的CCA1/LHY对PRRs基因同时存在促进/抑制两种调控的原因；LNKs响应环境CO2变化和通过生物钟影响光合效率的机理；以及克隆并分析水稻LNK及相关生物钟基因，探索通过优化水稻生物钟调控模式改良农艺性状的可行性。

生物钟作为时间调控机制，通过近日节律使得诸多物种与环境内外授时因子同步，有效地适应环境的周期性变化，增强其生存能力。植物生物钟核心调控中的转录激活机制仍不清晰。前期工作揭示LNK1/LNK2作为植物生物钟反馈环路关键组份，与生物钟核心蛋白RVE8,RVE4形成早晨复合体并参与夜间基因的转录激活调控。本课题将以拟南芥和作物为材料，从生物钟核心机制调控和重要农艺性状两方面深入研究LNKs家族LNK1/2/3/4成员在时空调控中的作用。主要研究内容包括：揭示LNK1/LNK2与LNK3/LNK4由于蛋白结构域差异可能导致的不同作用模式和功能；探究LNKs与生物钟早晨相位的转录因子间动态互作的调控机理及生物学意义；LNKs响应环境CO2变化和通过生物钟影响光合效率的机理；分析作物LNKs及相关生物钟基因，探索通过调控近日节律模式改良关键农艺性状的可行性。在该研究中，我们发现，1）在生物钟核心调控中LNKs成员之间存在蛋白动态互作，且在地上茎叶和地下根部器官中的蛋白间动态表达存在差异；2）LNK3,4与LNK1,2共同招募清晨转录因子，参与夜间基因的表达调控，维持近日节律，且在功能上有部分冗余；3）LNKs及其互作组分介导生物钟响应环境CO2信号，参与植物光合效能、代谢产物累积及器官大小的调节。该结果对于揭示植物生物钟的运行机理，阐明生物钟参与环境适应性调控的分子机制具有理论价值；LNKs及其招募的生物钟核心组分广泛参与到植物开花、光合效能、器官大小等关键性状的调节，对于农作物优良种质资源的选育、分子设计育种具有应用前景。