Plant Cell ｜ 北京大学／耶鲁大学合作团队揭示光形态建成新机制

　　土壤中，拟南芥在黑暗条件下进行暗形态建成，伴随着顶端弯钩的形成、子叶萎缩、下胚轴伸长和叶绿体积累减少等形态学特征。顶端弯钩知光信号后，弯钩展开、子叶发育、抑制下胚轴伸长、促进植物进行自养生长，称为去黄化过程 （De-etiolation），俗称光形态建成。在此过程中，PIFs和HY5转录因子起着至关重要的作用，植物激素包括生长素、赤霉素、油菜素内酯和茉莉酸甲酯等主要通过作用于COP1和PIFs调控光形态建成【1】。

　　在光形态建成过程中，许多的关键元件已经研究清楚，它们对于光信号应答具有很强的组织特异性，例如光信号应答基因 SAUR (Small auxin upregulated RNA)，初始识别作为生长素促进光信号下的下胚轴细胞扩展【2】。在黄花幼苗阶段，SAUR14、SAUR16、SAUR30 能够被生长素诱导，但是主要表达在下胚轴，而非子叶。反之，这些基因能够被光诱导在子叶表达，而非下胚轴。另外，这些SAURs基因是PIFs的直接靶标基因，而PIFs 在子叶和下胚轴中都有表达，因此，PIFs的功能并不能解释SAUR在不同的调控模式下组织特异性表达的分子机理。

　　近日，耶鲁大学 Ning Wei 、北京大学陈浩东等在The Plant Cell上在线发表了题为The Transcription Factors TCP4 and PIF3 Antagonistically Regulate Organ-specific Light Induction of SAUR Genes to Modulate Cotyledon Opening During De-etiolation in Arabidopsis的文章。揭示了TCP4 和PIF3 通过拮抗作用调控SAUR基因从而调节光形态建成的分子机理。

　　TCP (TEOSINTE BRANCHED1, CYCLOIDEA, and PCF) 作为一个组织特异性表达的转录因子家族主要调控叶片的形态建成、分枝、衰老和免疫应答等过程泰国剧【3】。在CIN-like 亚家族中，TCP4 特异性的在子叶中表达，研究发现，拟南芥从黑暗转至光下培养时，tcp3tcp4tcp10的表型与Col-0没有明显差异，而子叶展开的动力学分析发现tcp3tcp4tcp10突变体展示出显著的退化。对TCP4的过表达株系mTCP4（TCP4为miR319的靶基因）进行处理后发现，mTCP4在黑暗条件下子叶展开。表明TCP-like基因对于黄化过程不是必须的，主要作用于光诱导的子叶展开的去黄化过程。

　　研究人员通过对mTCP4植株进行ChIP-seq和RNA-seq分析发现，TCP4基因对GGACCA密码子有很强的偏好性，能够直接结合调控SAUR14、SAUR50、SAUR16、 SAUR62、SAUR77、SAUR78的表达。而对saur16saur50的子叶动力学分析发现，结果类似于tcp3tcp4tcp10，而SAUR50的过表达表型与mTCP4幼苗相似。表明了TCP可能通过SAUR调控光形态下子叶的展开，而通过遗传回补试验发现SAUR能够挽救TCP缺失的光形态建成表型，这表明TCP-like转录因子主要通过SAUR16和SAUR50调控光形态建成。

　　随之而来的是TCP是如何被光信号诱导表达的？ 因为光信号可以快速诱导SAUR16和SAUR50的表达，而TCPs对光信号的响应并不敏感，对TCP4蛋白水平分析发现，光信号能够微弱增加TCP4的蛋白水平， COP1和DET1与TCP4杂交后发现，TCP4的蛋白水平并没有明显的改变。而通过ChIP-qPCR和表达量分析确定了光信号可以快速诱导SAUR的表达，但是TCP4对光的响应相对缓慢，表明这个过程中还有其它的调控元件。

　　鉴于PIFs和HY5也能调控光形态建成，因此该研究鉴定了PIFs在该过程中的作用，通过ChIP-qPCR分析发现，pifq (PIF1,3,4,5缺失)相比于Col-0，TCP4更能影响SAUR基因，而HY5并没有明显的区别。表明了PIFs确实参与了TCP4调控光形态建成。通过组学数据对比，发现PIF3能结合SAUR基因，因此推测PIF3在该过程中起主要作用。通过遗传回补发现，PIF3过表达显著降低TCP4对SAUR的结合。而通过体外DNA亲和纯化试验验证了PIF3蛋白确实可以降低TCP4对SAUR基因的结合。这表明，PIF3参与黑暗-光转变过程中TCP调控SAUR过程。

　　因此，研究人员提出，在黑暗条件下，PIF蛋白积累抑制了TCP4对SAUR16/50的结合，促进了黑暗条件下子叶的闭合。而在去黄化过程中，PIF蛋白快速降解，促使TCP4结合SAURs启动子，促进子叶的展开。

　　参考文献

　　[1] Beziat, C., Barbez, E., Feraru, M.I., Lucyshyn, D., and Kleine-Vehn, J.(2017). Light 712 triggers PILS-dependent reduction in nuclear auxin signalling for growth transition. Nat Plants 3, 17105. 713-714

　　[2] Ren,H., and Gray, W.M. (2015). SAUR Proteins as Effectors of Hormonal and 804 Environmental Signals in Plant Growth. Mol Plant 8, 1153-1164.

　　[3] Chen, M., Chory,J., and Fankhauser, C. (2004). Light signal transduction in higher plants. 724 Annu Rev Genet 38, 87-117. 725

　　http://www.plantcell.org/content/early/2019/03/25/tpc.18.00803