PNAS：鐘上威、鄧興旺研究組合作揭示出土幼苗形態建成的轉錄調控網路

2018 年 5 月 29 日，北京大學生命科學學院、現代農學院鐘上威研究組與鄧興旺研究組合作在國際知名學術期刊《PNAS》上發表了題為「Genome-wide regulation of light-controlled seedling morphogenesis by three families of transcription factors」的研究論文。文章首次鑒定了調控出土幼苗形態建成的關鍵轉錄因子，並闡明這些轉錄因子的互作關係與調控機理，構建了出土幼苗形態建成的轉錄調控分子信號網路。

土壤中向上生長的植物幼苗，處於黑暗環境，同時承受著土壤的機械壓力。為了適應土壤中的生長環境，幼苗形態發育為暗形態建成，表現為下胚軸快速向上伸長，子葉擴展被嚴格抑制並閉合，減少向上生長所遇到的土壤阻力。同時，幼苗在頂端形成彎鉤，保護脆弱的頂端分生組織免受土壤機械壓力的損傷。幼苗出土後，下胚軸伸長抑制，頂端彎鉤打開，子葉快速打開和擴展，以吸收更多陽光，實現光合自養生長。幼苗出土前後的形態建成巨變，與所處土壤環境的劇變緊密聯繫，是研究植物適應環境的經典模型。出土前後，幼苗全基因組有超過四分之一的基因表達發生顯著變化，這是幼苗形態建成巨變的分子基礎，但該過程中全基因組大規模轉錄調控的分子機制還尚未清楚。

幼苗出土前後有兩個主要環境因子發生快速變化，出土前是無光照與有機械壓力，出土後是有光照與無機械壓力。之前研究發現光信號通路中有兩類轉錄因子，PIFs 和 HY5，參與調控植物幼苗的光暗形態建成。出土中，幼苗能根據土壤機械壓力相應合成氣體植物激素乙烯，並通過穩定轉錄因子 EIN3 和 EIL1，促進幼苗出土生長。為了研究這些轉錄因子對出土幼苗形態建成的調控作用，本研究通過分子遺傳學的方法模擬出土前後這三類轉錄因子的蛋白變化，同時突變了四個 PIFs 與 EIN3 及 EIL1，並在六缺突變體中組成型過表達 HY5，構建出了 HY5ox/pif1345ein3eil1 的多重突變體與過表達材料。結果顯示，該植株在黑暗環境中組成型呈現為出土後的形態建成，其頂端彎鉤完全消失，下胚軸伸長顯著抑制，子葉完全打開並完全擴展。全基因組測序分析發現，該植株中有近三千個基因的表達在黑暗中發生了逆轉，組成型呈現為出土後幼苗的表達模式。分子遺傳學與轉錄組測序分析的結果相互印證，表明這三類轉錄因子是調控出土幼苗形態建成的核心轉錄因子，共同介導出土前後幼苗的全基因組轉錄調控，實現形態建成的巨變。

為了闡明土壤中穩定的 PIFs 與 EIN3/EIL1 這兩類轉錄因子的作用機制，本研究進一步在 pif1345ein3eil1 的六缺突變體中逐一轉基因過表達單個 PIFs 和 EIN3。意外發現，在六缺突變體背景中過量表達單個 PIFs 或 EIN3，能部分恢復甚至完全逆轉大量基因的表達模式。表型分析顯示單個 PIFs 或 EIN3 能完全恢復六缺突變體的下胚軸伸長，頂端彎鉤形成，以及子葉打開與擴展的表型，使得六缺突變體呈現出類似野生型的暗下形態建成表型。對調控幼苗頂端彎鉤關鍵基因 HLS1 的研究發現，單個 PIFs 和 EIN3 蛋白在六缺突變體背景中能獨立直接結合到 HLS1 的啟動子上，激活 HLS1 的基因表達，與頂端彎鉤完全回補的表型一致。這些結果說明在調控出土幼苗的形態建成中，PIFs 與 EIN3/EIL1 這兩類轉錄因子是完全獨立且功能冗餘。

該作用機制與鐘上威研究組去年對葉綠體發育調控所揭示的機制正好相反 (Liu et al., Plant Cell, 2017)。在葉綠體發育中，光信號通路的 PIFs 與機械壓力穩定的 EIN3 形成一個轉錄調控複合體，互相依賴，共同調控葉綠體發育。出土幼苗在形態建成與葉綠體發育中採用相反的調控機制正好與幼苗出土的複雜過程相適應。幼苗出土過程可以分為三個連續的階段，完全在土裡，部分出土，以及最終的完全出土（見圖示）。在土裡生長時，幼苗處於黑暗與高強度土壤機械壓力，需要抑制葉綠體發育，同時啟動暗下形態建成，適應土壤中環境。破土而出時，儘管幼苗部分露出地面，從黑暗轉入光照環境，但頂端還有土壤或泥塊。光照能快速降解 PIFs 和 EIN3，但頂端遇到的機械壓力能拮抗光照，穩定 EIN3。由於葉綠體發育抑制依賴於 PIFs 與 EIN3 的共同存在，此時葉綠體發育被啟動，使得幼苗能進行光合作用供能。但由於幼苗形態建成由 PIFs 與 EIN3 獨立調控，頂端機械壓力穩定的 EIN3 能抑制幼苗形態建成的轉變，使其仍保持土壤中的形成建成，保護幼苗免受頂端機械壓力的損傷。當幼苗最終突破頂端泥土完全出土時，PIFs 和 EIN3 蛋白都被降解，幼苗快速實現出土後的形態建成轉變，適應土壤外的生長環境。因此，植物幼苗應用這一非常精巧的作用機制，完美應對了出土過程中的複雜環境變化，最大程度實現幼苗出土的存活。

出土過程中植物幼苗形態建成的轉錄調控示意圖

生命科學學院博士後施慧（現首都師範大學教授，PI），PTN 項目研究生呂默含、羅翊雯，及研究助理劉守成是該論文的並列第一作者。鐘上威研究員與鄧興旺教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金，科技部國家重點研發計劃，蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室，以及美國國立衛生研究院的資助。

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