研究方向
研究方向  

 

万物生长靠太阳。太阳光既为植物光合作用提供能量,使植物合成有机物和氧气,是地球上生命赖以生存的基础;同时,光也是植物的一种重要的环境因子,植物通过体内的眼睛能精确分辨太阳光的波长、方向、强度和周期等信息变化,并指导自身在器官、组织和细胞等不同层面做出改变和调整,以适应环境的变化,该过程涉及到复杂的信号响应和传递。我们实验室致力于研究植物对光的感知与应答,利用拟南芥和水稻等模式植物,综合运用植物生理学、遗传学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学和生物信息学等学科及其研究手段,通过挖掘与解析重要基因的生化功能和分子机理,期望建立信号调控网络,回答植物如何传递光的信息,以及光合作用功能发挥和生长发育如何响应光环境变化等问题,为植物(作物)的分子设计提供理论指导和可能途径。重点开展以下几方面的工作:

1植物光信号转导机制。植物通过光敏色素(Phytochrome)和隐花色素(Cryptochrome)等光受体感知光的信号,然后将信息传递给下游一系列的调控因子(“接力者”),最后导致基因表达和各种生理功能(包括种子萌发、光形态建成、叶绿体发育、庇荫反应、气孔开闭、开花、生物节律等)的发生。那么中间复杂的过程是如何进行的?有哪些调控因子参与?它们是如何发挥作用的?这些都是我们需要回答的问题。从正向和反向遗传学入手,我们筛选和克隆了多个参与光信号转导的中间因子,并对它们的作用机制进行深入研究。

EPP1(PKL)是一个依赖ATP的染色质重塑因子,揭示了PKLHY5转录因子一起调控光形态建成的分子机制,PKL是通过改变靶基因的H3K27组蛋白三甲基化而发挥作用的Jing et al., Plant Cell, 2013)。PKL还可以与PIF3转录因子(光信号通路的重要蛋白)、BZR1转录因子(油菜素内酯信号通路的关键蛋白)、以及DELLA蛋白(赤霉素信号通路的关键因子)直接相互作用,共同调控植物暗形态建成(Zhang et al., Plant Cell, 2014)。揭示了RVE1/2转录因子直接抑制赤霉素合成基因GA3OX2的表达及赤霉素含量,建立了光敏色素B通过RVE1/2调控种子休眠与萌发的信号通路(Jiang et al., Nat Commun, 2016)。此外,对VQ家族展开研究,发现VQ29与PIF1互作调控光形态建成(Li et al., Plant Physiol, 2014; Jing and Lin, Plant Physiol, 2015)。而ABI8通过改变细胞壁纤维素合成来控制光形态建成(Wang et al., Plant Cell Environ, 2015)。

 

2叶绿素合成酶的功能与分子调控。叶绿素是光合作用的最重要色素,发挥吸收与传递光能的作用,并直接影响叶绿体的发育。叶绿素合成是四吡咯合成途径的一个分支,在叶绿体内完成。尽管叶绿素合成途径及编码各种酶的基因都已清楚,然而这些酶和基因的功能及其被调控的机理仍有待进一步研究。我们的一项研究发现,原卟啉原氧化酶PPO1不仅催化叶绿素合成,而且与MORF蛋白相互作用参与质体RNA的编辑,该工作拓展了对四吡咯合成酶功能多样性和RNA编辑机制复杂性的认识(Zhang et al., PNAS, 2014)。此外,对合成途径的另一个酶5-氨基酮戊酸脱水酶HEMB1参与编码)的转录调控进行研究,发现转录因子FHY3FAR1直接结合HEMB1基因的启动子序列,并促进该基因的表达,影响叶绿素前体的累积,从而调控植物幼苗的见光转绿过程(Tang et al., Plant Cell, 2012)。FHY3/FAR1和HEMB1还通过调节水杨酸合成与信号途径参与植物免疫反应,暗示叶绿素合成在平衡植物生长与免疫中的重要作用(Wang et al., JIPB, 2016)。此外,我们筛选到一个直接激活PORA(编码原叶绿素酸酯氧化还原酶)基因表达的转录因子RVE1,RVE1可以促进幼苗的转绿过程(Xu et al., Photosyn Res, 2015)。

  

3植物对强光的响应和适应机制。植物需要适量的阳光进行光合作用,然而光照过强对植物反而不利,因为强光往往导致植物体产生过量的活性氧,对植物产生氧化伤害,甚至细胞死亡。我们试图了解植物怎样感知强光信号,如何应对光氧化胁迫,对叶绿体发育和光合功能有怎样的影响,光信号与活性氧信号存在怎样的联系。在前期的研究中,发现两对转录因子PIF1/PIF3bHLH型)与HY5/HYHbZIP型)的蛋白稳定性受光强调节并呈相反的模式,但它们在细胞核内能够相互结合形成复合体,直接结合到活性氧和胁迫响应基因的启动在序列上,共同调控这些基因的转录水平,从而启动活性氧信号传递网络,以应对氧化胁迫,帮助植物顺利完成从异养到自养生长的转变过程(Chen et al., Plant Cell, 2013)。同时,我们研究水稻的抗光氧化机制,帮助提高农作物对环境的适应能力以及增强对光能的利用。

 

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