植物生物钟核心基因CCA1表达调控的分子机理研究

Circadian clock regulates almost every aspect of metabolism and development in plants. Light is a major environmental factor regulating circadian clock. Plants use a series of photoreceptors to perceive the light signals and through the "input pathway", transduce the light signal to the "central oscillator" of the clock, to regulate the rhythmic expression of key components of the central oscillator, and through the "output pathway" to regulate various rhythmic responses. In Arabidopsis, CCA1 encodes a MYB-type transcription factor, which is a key component of the central oscillator. Nevertheless, the molecular mechanisms underlying light regulation of rhythmic CCA1 expression are largely unclear. The two major objectives of this project are: 1) To investigate the molecular mechanisms of phytochrome A (phyA) mediated far-red light signal regulation of rhythmic CCA1 expression; and 2) To investigate the molecular mechanisms coordinating phyA signaling pathway and the central oscillator in regulation of rhythmic CCA1 expression. The expected results will greatly enhance our understanding of the molecular mechanisms governing circadian clock in plants, and provide useful guidance for crop breeding and agriculture.

生物钟参与调控植物体几乎所有的新陈代谢和生长发育过程。光是自然环境条件下调控生物钟的主要因素。植物通过“输入途径”将外界环境中光信号的变化传递到生物钟“中央振荡器”来调节中央振荡器核心基因的表达，进而通过“输出途径”调节植物体内的各种节律性反应。拟南芥CCA1基因编码一个MYB转录因子，是生物钟中央振荡器的核心成员。然而，目前光信号调节CCA1 节律性表达的分子机理尚不清楚。本项目将聚焦研究两个关键的科学问题：1）远红光受体光敏色素A（phyA）介导的远红光信号是如何传导到中央振荡器调节CCA1的节律性表达；2）phyA信号传导途径如何与生物钟中央振荡器相互协调控制CCA1的节律性表达，使植物得以保持与外界环境的一致性。该项目研究成果将极大地促进我们对于植物生物钟分子调控机理的理解，并对作物育种和农业生产也有重要的指导意义。

植物在长期自然选择进化过程中产生出近 24 小时为周期的生物钟。生物钟参与调控植物体几乎所有的新陈代谢和生长发育过程。光是自然环境条件下调控生物钟的主要因素。植物通过“输入途径”将外界信号的变化传递到生物钟“中央振荡器”来调节中央振荡器核心基因的表达，进而通过“输出途径”调节植物体内的各种节律性反应。拟南芥CCA1基因编码一个MYB转录因子蛋白，属于生物钟中央振荡器的核心成员，其表达呈现明显的节律性，在早晨受到光诱导被激活，转录水平提高，从而抑制傍晚基因（如TOC1）的表达。CCA1的表达在白天晚些时候和夜晚得到抑制，逐步解除了对傍晚基因的抑制，使得傍晚基因得以表达。这样的反馈调节构成了生物钟最核心的中央振荡器。但是CCA1基因的节律性表达以及受光激活的分子机制仍不清楚。本项目的重点是研究植物光信号传导关键转录因子FHY3, FAR1和PIFs 蛋白如何调控CCA1对光信号的响应，以及FHY3, FAR1和PIFs 蛋白如何与生物钟关键因子TOC1互作协同调控CCA1的节律性表达。通过本项目的研究，我们已证明光可以激活FHY3/FAR1基因的表达，它们可以直接激活CCA1基因的转录；而PIF5通过直接结合CCA1启动子抑制其表达。此外，我们还发现PIF5和TOC1可以与FHY3和FAR1蛋白相互作用，抑制FHY3和FAR1的转录激活功能，继而抑制CCA1的表达。我们还发现FHY3，PIF5和TOC1的蛋白表达水平具有节律性，而且其结合CCA1启动子的能力在昼夜循环条件下表现出显著的差异。在凌晨，高水平的FHY3和较低水平的PIF5和TOC1蛋白，共同维持了CCA1基因的表达在凌晨达到顶峰。该研究建立了光和生物钟协同调控生物钟关键基因CCA1的分子网络，对于阐明整个生物钟重置的分子调控机理具有十分重要的意义(Liu et al., 2020, Plant Cell)。