陳芳，鄧興旺

1. 北京大學(xué)-耶魯大學(xué)植物分子遺傳學(xué)及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)聯(lián)合研究中心，蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué), 北京 100871;

2. 美國(guó)耶魯大學(xué)分子細(xì)胞及發(fā)育生物學(xué)系，康涅迪格州紐黑文市 06511

遠(yuǎn)紅光受體伴侶蛋白FHY1在介導(dǎo)基因表達(dá)和植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的獨(dú)特作用

陳芳1,2，鄧興旺1,2

1. 北京大學(xué)-耶魯大學(xué)植物分子遺傳學(xué)及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)聯(lián)合研究中心，蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué), 北京 100871;

2. 美國(guó)耶魯大學(xué)分子細(xì)胞及發(fā)育生物學(xué)系，康涅迪格州紐黑文市 06511

陳芳,助理研究員

光不僅為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了能量來(lái)源，并且作為信號(hào)分子影響植物的多個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程。植物中的一類光受體光敏色素可以感受陽(yáng)光中的紅光和遠(yuǎn)紅光，進(jìn)而調(diào)控種子萌發(fā)、幼苗去黃化、植物避蔭反應(yīng)和開(kāi)花等重要發(fā)育過(guò)程。植物對(duì)紅光的選擇性吸收和對(duì)遠(yuǎn)紅光的選擇性透過(guò)使得位于遮蔭下的植物處于一個(gè)遠(yuǎn)紅光富集的光環(huán)境中。這種光環(huán)境在密集種植的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中十分常見(jiàn)。因此，充分理解植物對(duì)遠(yuǎn)紅光的響應(yīng)將有助于促使農(nóng)作物的關(guān)鍵發(fā)育過(guò)程的正常進(jìn)行，從而對(duì)保障農(nóng)作物的產(chǎn)量起到積極作用。北京大學(xué)-耶魯大學(xué)植物分子遺傳學(xué)及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)聯(lián)合研究中心鄧興旺研究組多年來(lái)充分利用中美兩國(guó)的技術(shù)資源，對(duì)擬南芥中唯一響應(yīng)遠(yuǎn)紅光的光受體光敏色素phyA (phytochrome A)及其伴侶蛋白FHY1 (far-red elongated hypocotyl 1)深入地進(jìn)行了功能研究，并在研究phyA信號(hào)通路方面取得了突破性進(jìn)展。

在擬南芥中，phyA感受到遠(yuǎn)紅光信號(hào)后會(huì)從細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，這個(gè)過(guò)程依賴于具備核定位信號(hào)的FHY1蛋白。盡管已有研究表明FHY1可以在核內(nèi)進(jìn)一步介導(dǎo)phyA和轉(zhuǎn)錄因子的互作，但是該phyA/FHY1/轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體在核內(nèi)的作用機(jī)制及其靶基因仍舊不為人們所知。我們的研究發(fā)現(xiàn)，phyA和FHY1這兩個(gè)缺乏DNA結(jié)合域的蛋白不僅可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子直接定位到下游基因的啟動(dòng)子區(qū)域，還可以促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄活性，從而調(diào)控光響應(yīng)基因的表達(dá)。這一研究成果不僅是對(duì)phyA通過(guò)降解或者累積轉(zhuǎn)錄因子來(lái)間接調(diào)控下游基因這一傳統(tǒng)認(rèn)知的補(bǔ)充，更為全面理解遠(yuǎn)紅光信號(hào)通路開(kāi)辟了嶄新的局面。關(guān)于FHY1在phyA傳遞光信號(hào)到下游基因過(guò)程中不可或缺的作用已經(jīng)于2012年5月在線發(fā)表于The Plant Cell(DOI：10.1105/tpc.112.097733)。

為了在全基因組水平了解phyA和FHY1對(duì)下游基因的結(jié)合和調(diào)控，本研究組利用染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序技術(shù)(Chromatin immunoprecipitation-seq)以及 RNA測(cè)序技術(shù)(RNA-seq)鑒定出數(shù)百個(gè) phyA或 FHY1的直接靶基因，即其啟動(dòng)子區(qū)域被phyA或FHY1結(jié)合的同時(shí)其表達(dá)也受到phyA 或FHY1的調(diào)控。phyA在基因組上結(jié)合和調(diào)控的相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)于2014年5月在線發(fā)表于The Plant Cell (DOI：10.1105/tpc.114.123950)。通過(guò)對(duì)FHY1和phyA的直接靶基因進(jìn)行比較分析，我們對(duì)FHY1的功能有了前所未知的認(rèn)識(shí)：FHY1不僅是幫助phyA完成其入核、互作轉(zhuǎn)錄因子、結(jié)合基因啟動(dòng)子等各個(gè)傳遞信號(hào)行為的輔助蛋白，而且其自身可以獨(dú)立于phyA作用在下游基因的啟動(dòng)子區(qū)域并在植物的發(fā)育過(guò)程起到獨(dú)特的作用。對(duì)FHY1特異直接靶基因之一AFP4(ABI five binding protein 4)的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)HY1通過(guò)直接定位于其啟動(dòng)子區(qū)域并上調(diào)表達(dá)該基因來(lái)進(jìn)一步負(fù)調(diào)控遠(yuǎn)紅光下高鹽抑制的種子萌發(fā)。一個(gè)可能的機(jī)制是AFP4編碼的ABI5(ABA insensitive 5)結(jié)合蛋白增強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)ABA信號(hào)途徑，從而與高鹽誘導(dǎo)的 ABA累積效應(yīng)一起加劇了對(duì)種子萌發(fā)的抑制。phyA并沒(méi)有參與這個(gè)遠(yuǎn)紅光對(duì)種子萌發(fā)的抑制過(guò)程，但它卻參與了遠(yuǎn)紅光對(duì)下胚軸的生長(zhǎng)抑制，顯示出phyA和FHY1在遠(yuǎn)紅光對(duì)植物生長(zhǎng)抑制效應(yīng)中各自獨(dú)特的作用。高通量的生物信息學(xué)分析為深入揭示FHY1和phyA獨(dú)立或者協(xié)同的作用模式提供了線索。在FHY1和phyA共同和各自特異結(jié)合的啟動(dòng)子區(qū)域富集了不同的順式作用元件，其各自相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)FHY1和phyA的親和性將對(duì)FHY1和phyA響應(yīng)遠(yuǎn)紅光的核內(nèi)行為起到關(guān)鍵作用。這一研究成果為后續(xù)探索遠(yuǎn)紅光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究工作的相關(guān)結(jié)果于 2014年 7月 28日在線發(fā)表于Proc Natl Acad Sci USA (pii：201412528 )。

圖1 FHY1在遠(yuǎn)紅光下獨(dú)立于phyA調(diào)控種子應(yīng)對(duì)高鹽的萌發(fā)抑制