远红光受体伴侣蛋白FHY1在介导基因表达和植物生长发育过程中的独特作用

陈芳，邓兴旺

1. 北京大学-耶鲁大学植物分子遗传学及农业生物技术联合研究中心，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，北京大学, 北京 100871;

2. 美国耶鲁大学分子细胞及发育生物学系，康涅迪格州纽黑文市 06511

远红光受体伴侣蛋白FHY1在介导基因表达和植物生长发育过程中的独特作用

陈芳1,2，邓兴旺1,2

1. 北京大学-耶鲁大学植物分子遗传学及农业生物技术联合研究中心，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，北京大学, 北京 100871;

2. 美国耶鲁大学分子细胞及发育生物学系，康涅迪格州纽黑文市 06511

陈芳,助理研究员

光不仅为植物的生长发育提供了能量来源，并且作为信号分子影响植物的多个生长过程。植物中的一类光受体光敏色素可以感受阳光中的红光和远红光，进而调控种子萌发、幼苗去黄化、植物避荫反应和开花等重要发育过程。植物对红光的选择性吸收和对远红光的选择性透过使得位于遮荫下的植物处于一个远红光富集的光环境中。这种光环境在密集种植的农业生产中十分常见。因此，充分理解植物对远红光的响应将有助于促使农作物的关键发育过程的正常进行，从而对保障农作物的产量起到积极作用。北京大学-耶鲁大学植物分子遗传学及农业生物技术联合研究中心邓兴旺研究组多年来充分利用中美两国的技术资源，对拟南芥中唯一响应远红光的光受体光敏色素phyA (phytochrome A)及其伴侣蛋白FHY1 (far-red elongated hypocotyl 1)深入地进行了功能研究，并在研究phyA信号通路方面取得了突破性进展。

在拟南芥中，phyA感受到远红光信号后会从细胞质内转移到细胞核中，这个过程依赖于具备核定位信号的FHY1蛋白。尽管已有研究表明FHY1可以在核内进一步介导phyA和转录因子的互作，但是该phyA/FHY1/转录因子复合体在核内的作用机制及其靶基因仍旧不为人们所知。我们的研究发现，phyA和FHY1这两个缺乏DNA结合域的蛋白不仅可以通过转录因子直接定位到下游基因的启动子区域，还可以促进转录因子的转录活性，从而调控光响应基因的表达。这一研究成果不仅是对phyA通过降解或者累积转录因子来间接调控下游基因这一传统认知的补充，更为全面理解远红光信号通路开辟了崭新的局面。关于FHY1在phyA传递光信号到下游基因过程中不可或缺的作用已经于2012年5月在线发表于The Plant Cell(DOI：10.1105/tpc.112.097733)。

为了在全基因组水平了解phyA和FHY1对下游基因的结合和调控，本研究组利用染色质免疫共沉淀测序技术(Chromatin immunoprecipitation-seq)以及 RNA测序技术(RNA-seq)鉴定出数百个 phyA或 FHY1的直接靶基因，即其启动子区域被phyA或FHY1结合的同时其表达也受到phyA 或FHY1的调控。phyA在基因组上结合和调控的相关研究结果已经于2014年5月在线发表于The Plant Cell (DOI：10.1105/tpc.114.123950)。通过对FHY1和phyA的直接靶基因进行比较分析，我们对FHY1的功能有了前所未知的认识：FHY1不仅是帮助phyA完成其入核、互作转录因子、结合基因启动子等各个传递信号行为的辅助蛋白，而且其自身可以独立于phyA作用在下游基因的启动子区域并在植物的发育过程起到独特的作用。对FHY1特异直接靶基因之一AFP4(ABI five binding protein 4)的研究发现，FHY1通过直接定位于其启动子区域并上调表达该基因来进一步负调控远红光下高盐抑制的种子萌发。一个可能的机制是AFP4编码的ABI5(ABA insensitive 5)结合蛋白增强了细胞内ABA信号途径，从而与高盐诱导的 ABA累积效应一起加剧了对种子萌发的抑制。phyA并没有参与这个远红光对种子萌发的抑制过程，但它却参与了远红光对下胚轴的生长抑制，显示出phyA和FHY1在远红光对植物生长抑制效应中各自独特的作用。高通量的生物信息学分析为深入揭示FHY1和phyA独立或者协同的作用模式提供了线索。在FHY1和phyA共同和各自特异结合的启动子区域富集了不同的顺式作用元件，其各自相应的转录因子对FHY1和phyA的亲和性将对FHY1和phyA响应远红光的核内行为起到关键作用。这一研究成果为后续探索远红光对植物生长发育的影响奠定了坚实的基础。该项研究工作的相关结果于 2014年 7月 28日在线发表于Proc Natl Acad Sci USA (pii：201412528 )。

图1 FHY1在远红光下独立于phyA调控种子应对高盐的萌发抑制