拟南芥光信号蛋白调控淀粉代谢的分子机理研究

In the living organisms, all the life processes are strongly affected by the daily light/dark cycles. During the day, photosynthesis in plants uses light energy derived from the sun for the synthesis of carbohydrates which primary accumulate as starch in chloroplast for a transient storage or being converted to sucrose for export to the sites of growth or non-photosynthetic organs for long-term storage. In the dark, transitory starch is degrade and remobilize to sustain the carbon and energy metabolism. Numerous studies have shown that plants defective in starch synthesis or degrade have reduced growth rates, thereby affecting the yield and quality of crop plants. It has been reported that starch metabolism is regulated by daily light dark cycle, such as environmental light signals, circadian clock and endogenous sugar contents. However, the underlying molecular mechanism for coordinating the daily starch metabolism is still poorly understood. Our preliminary study indicated that light signal protein FHY3 and FAR1 positively regulate starch synthesis, whereas HY5 positively regulate starch degradation in Arabidopsis. In this study, we will use multiple molecular, genetic and biochemistry methods to identify how FHY3, FAR1 and HY5 working together to regulate the transcription of starch debranching enzyme ISA2, and how HY5 regulate the transcription of SEX1, SEX4 and BAMs, thus influence starch metabolism. Our study will establish the molecular link between environmental light signals and starch metabolism and will provide the molecular evidences to understand the dynamic transcriptional regulation of starch metabolism related genes, thus will help us to further investigate the starch metabolism mechanism in crop plants.

淀粉是植物碳水化合物的最广泛的一种存在形式,提供了生长发育所需的物质和能量。在叶片中，淀粉在白天合成作为糖的主要储存形式进行积累，夜晚降解提供各种生命活动所需的能量。近年来人们发现淀粉的代谢受到昼夜变化的光信号、糖信号和生物钟的共同调控，但具体的调节机制并不明确。在前期研究中，我们发现拟南芥光信号转导途径中三个重要的转录因子FHY3、FAR1和HY5与淀粉的代谢直接相关。在本研究中，我们将利用分子生物学、生物化学和遗传学等多种研究方法，深入解析光信号蛋白FHY3、FAR1和HY5协同调控淀粉合成过程中淀粉去分支酶ISA2的转录调控机理，以及HY5调控淀粉降解过程中关键酶SEX1、SEX4和BAMs的转录调控机理。我们的研究将建立环境光信号与体内淀粉代谢的直接分子联系，有助于阐明植物体内淀粉代谢相关基因节律性表达的调控网络，为进一步理解作物的“源强”和产量提高奠定科研基础和理论依据。

淀粉是植物碳水化合物中与作物产量和品质紧密相关的一种主要存在形式。叶肉细胞中的淀粉在白天进行合成从而存储能量，在黑暗下快速降解提供能量。因此，淀粉代谢受到光信号、糖信号和生物节律的共同调控，但是不同信号如何协同调控淀粉代谢的机理并不清楚。在本项目的资助下，我们对多个光信号和糖信号蛋白调控淀粉合成的分子机理进行深入研究。总结如下：1. 鉴定发现拟南芥光信号蛋白FHY3及其同源蛋白FAR1通过直接结合在淀粉合成关键酶-淀粉去分支酶编码基因ISA2的启动子区域，并在光下激活其转录，从而介导光信号对淀粉合成的促进作用。同时，我们发现FHY3的转录水平受到糖匮乏的诱导，其转录调控活性受到光信号蛋白DET1和组蛋白去乙酰转移酶HDA6的直接影响。此部分相关研究结果已发表在《New Phytologist》和《Plant Physiology》。 2. 鉴定发现光信号蛋白HY5在光下直接促进淀粉合成酶GBSS、SS3和SS4的基因表达，而PIF3，PIF4和PIF5在遮阴条件下抑制这些淀粉合成酶的基因表达，从而维持淀粉合成速度与环境光信号协调一致。目前，此部分研究结果正在进行文章撰写中。3. 鉴定发现糖信号通过多个WRKY类转录因子直接激活葡萄糖6-磷酸/磷酸转运蛋白编码基因GPT2的表达，从而维持叶绿体和细胞质内葡萄糖浓度的稳态平衡。同时，我们也发现内源糖变化不仅直接影响淀粉合成，也通过抑制转录因子NF-YA8的表达从而调控开花时间。此部分相关研究工作已发表在《Plant Physiology》和《Journal of Experimental Botany》。经过四年的研究工作，我们不仅较好的完成了任务书中的各项研究目标，且有所拓展。在本项目资助下，已发表SCI 研究论文9篇，其中第一标注5篇。因时间关系，尚有一篇研究论文正在进行数据整理和文章撰稿中。