促進或抑制:bHLH轉錄因子對植物庇蔭反應的三級調控機制

2021-01-18 網易

　　撰文 | SHR

　　責編 | 逸雲

　　植物葉片在進行光合作用的過程中會捕獲藍光（B）與紅光（R），同時將大部分的遠紅光（FR）反射，這會造成葉片反射或透射後的光的R:FR的降低。研究表明，不耐蔭植物會感知R:FR的降低引起庇蔭反應（SAS），具體表現為下胚軸、節間和葉柄的伸長，花期提前以及葉片的向下性生長【1】。bHLH（basic helix-loop-helix）轉錄因子PIFs（PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs）參與調控植物庇蔭反應。PIF4通過轉錄激活特異性靶基因促進SAS。另一種bHLH轉錄因子HFR1（LONG HYPOCOTYL IN FAR-RED 1）同樣參與調控植物庇蔭反應。HFR1可以通過直接結合抑制PIF4，從而負調節SAS。這些研究表明，bHLH轉錄因子在植物SAS響應調控中的關鍵作用【3】。對兩種野生天竺葵（一種耐蔭，一種不耐蔭）的研究發現了一種新的bHLH蛋白KDR（KIDARI） 也參與調控SAS反應，並且其表達依賴於PIF4、PIF5和PIF7【4】。但是目前關於KDR在植物SAS響應中的確切作用尚不清楚。

　　近日，荷蘭Utrecht University的Ronald Pierik課題組在Plant Physiology在線發表了一篇題為A gas-and-brake mechanism of bHLH proteins modulates shade avoidance的研究論文，揭示了bHLH轉錄因子對植物庇蔭反應的三級調控機制。

　　

　　該研究發現，低R:FR會誘導KDR的表達，kdr-1突變體的下胚軸伸長顯著降低，而過表達KDR株系的下胚軸伸長被促進，表明KDR是植物SAS響應的正調節因子。轉錄分析結果表明，過表達KDR 會導致一些PIFs轉錄水平的顯著上調。進一步通過酵母雙雜交（Y2H）篩選和雙分子螢光互補（BiFC）鑑定了KDR的互作蛋白，其中包括PAR1、PAR2、AIFs、IBH1和IBL1等SAS響應的負調節因子。儘管HFR1可以通過與PIF4和PIF5互作調節SAS響應，但是KDR與HFR1之間不存在交互作用。

　　有趣的是，正常條件下KDR定位於細胞質和細胞核，而其互作蛋白僅定位於細胞核的核質和核仁中；當共表達時，KDR被吸引到細胞核以發生互作。研究表明，hfr1突變體和PAR RNAi 植株的SAS反應增強，而過表達植株的SAS響應則嚴重抑制，進一步證明了HFR1和PAR對SAS的負調控作用。該研究還發現KDR的過表達可以降低PAR2過表達造成的SAS抑制，表明高豐度KDR可能發揮隔離PAR2的作用，使其無法與下遊靶標相互作用，從而恢復下胚軸伸長表型。pif4 pif5 pif7完全失去了對低R:FR條件的下胚軸響應，並且此時KDR的過表達不能恢復下胚軸伸長，表明KDR對SAS的調控取決於PAR與PIF之間的相互作用。

　　

　　Proposed network regulating cell elongation in low R:FR

　　總之，該研究表明KDR是植物SAS響應的正調節因子，與PARs和PIFs形成三級調控網絡共同調控SAS響應，揭示了bHLH蛋白互作在植物SAS響應中的重要作用。研究結果為植物的庇蔭調節提供了新的思路。

　　參考文獻

　　【1】Galvāo VC, Fiorucci A-S, Trevisan M, Franco-Zorilla JM, Goyal A, Schmid- 1007 Siegert E, Solano R, Fankhauser C (2019) PIF transcription factors link a neighbor threat cue to accelerated reproduction in Arabidopsis. Nat Commun 10: 1–10

　　【2】Molina-Contreras MJ, Paulii S, Then C, Moreno-Romero J, Pastor-Andreu P, Morelli L, Roig-Villanova I, Jenkins H, Hallab A, Gan X, et al (2019) Photoreceptor Activity Contributes to Contrasting Responses to Shade in Cardamine and Arabidopsis Seedlings. Plant Cell 31: 2649–2663

　　【3】Sessa G, Carabelli M, Sassi M, Ciolfi A , Possenti M, Mittem pergher F, Becker J, Morelli G, Ruberti I (2005) A dynamic balance between gene activation and repression regulates the shade avoidance response in A rabidopsis. Genes Dev 19: 2811–2815

　　【4】Gommers CMM, Keuskamp DH, Buti S, Van Veen H, Koevoets IT, Reinen E, Voesenek LACJ, Pierik R (2017) Molecular profiles of contrasting shade response strategies in wild plants: differential control of immunity and shoot elongation. Plant Cell 2: 331–344

　　http://www.plantphysiol.org/content/early/2020/10/13/pp.20.00677

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