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汪硕, 丁岚, 刘建祥, 韩佳嘉
拟南芥热形态建成中PIF4下游基因研究
生物技术通报, 2018, 34(7): 57-65

WANG Shuo, DING Lan, LIU Jian-xiang, HAN Jia-jia
PIF4-Regulated Thermo-responsive Genes in Arabidopsis
Biotechnology Bulletin, 2018, 34(7): 57-65

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收稿日期:2018-03-13

拟南芥热形态建成中PIF4下游基因研究
汪硕1, 丁岚1, 刘建祥1,2, 韩佳嘉1,2     
1. 复旦大学生命科学学院,上海 200433;
2. 浙江大学生命科学学院,杭州 310027
摘要:植物细胞伸长是植物生长和形态建成的主要方式之一,受到激素和环境信号等许多因素调控,而光敏色素PHY B互作蛋白PIF4可以促进植物在环境温度升高后的形态建成即热形态建成,但PIF4在这个响应过程中全基因组水平调控的下游基因未见报道。本研究进一步通过遗传实验证明PIF4在热形态建成中发挥着重要的作用。通过RNA-Seq实验分析得到热形态建成中248个PIF4依赖的和21个PIF4部分依赖的下游基因,包括生长素信号通路和非生物逆境响应基因。结合已有CHIP-Seq数据得到74个热形态建成中PIF4结合靶标基因。拟南芥热形态建成过程中PIF4下游基因的研究为更好理解植物对环境温度升高的响应奠定了基础。
关键词环境温度升高    下胚轴伸长    PIF4    下游基因    RNA-Seq    ChIP-qPCR    
PIF4-Regulated Thermo-responsive Genes in Arabidopsis
WANG Shuo1, DING Lan1, LIU Jian-xiang1,2, HAN Jia-jia1,2     
1. School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200433;
2. College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027
Abstract: Plant growth and development programs are coordinated with various internal factors such as phytohormones and environmental signals such as fluctuated temperatures. The Phytochrome B(PHYB)interacting protein PIF4 promotes plant morphogenesis at elevated ambient temperature, however, genome-wide downstream genes of PIF4 during this response have not been reported. In this study, we confirmed the important role of PIF4 in thermoresponsive morphogenesis in Arabidopsis, and 248 PIF4-dependent and 21 PIF4 partially dependent downstream genes at elevated ambient temperature were further revealed by RNA-Seq, including those genes in auxin responsive pathway. 74 possible direct targets of PIF4 in thermomorphogenesis were identified by combining the previous published CHIP-Seq data and our RNA-Seq data, and 6 out of 7 were confirmed by ChIP-qPCR. Thus, our study has revealed PIF4 downstream genes during thermomorphogenesis, which are important for a better understanding of plant responses to elevated ambient temperature.
Key words: ambient high temperature     hypocotyl elongation     PIF4     downstream gene     RNA-Seq     ChIP-qPCR    

随着温室效应的加剧,近些年全球气候逐渐变暖,20世纪全球平均气温约提高0.6℃[1],经预测,到2050年平均温度将可能提高2-5℃[2]。高温会对植物的生长发育产生直接影响,在较高环境温度下植物会出现叶片偏下、开花提前及下胚轴伸长等表型,与光形态建成对应,植物在环境温度升高条件下的一些形态上的改变被称为热形态建成(thermomorphogenesis)。现有研究表明,调控这些表型的信号途径与植物遮荫下的分子信号途径多有重叠,表型也十分类似[3]

光和环境温度作为最重要的环境信号,极大地影响了植物的生长发育。光敏色素互作因子(Phytochrome interacting factors,PIFs),是一类可以与光受体光敏色素蛋白相互作用的bHLH家族转录因子。PIFs在光调控的植物生长发育过程中十分重要,能够影响植物的下胚轴伸长、幼苗的暗形态建成、促进避荫反应等[4]。29℃的温和高温(mild high temperature)能诱导拟南芥野生型幼苗下胚轴伸长,而PIF4缺失突变体pif4对温和高温不敏感,下胚轴几乎不伸长[4]。隐花素(cryptochrome,CRY)是光裂解酶类似的蓝光受体,在拟南芥苗期主要调控其下胚轴伸长。CRY1对温度响应十分重要,而温和高温下CRY1通过与PIF4以蓝光依赖的形式相结合,进而调控PIF4在温和高温下的转录活性[5]。最近,有报道指出光敏色素B(phyB)不仅可作为光的受体,同时能感应环境温度的变化[6],但温和高温下phyB到PIF4的信号传递目前不是很清楚。

另外一条独立于PIF4的调控植物响应光和温度信号,控制下胚轴伸长的信号通路包含COP1(CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1)和HY5(ELONGATED HYPOCOTYL 5)。HY5是bZIP家族转录因子,不但在白光下抑制拟南芥下胚轴伸长,同时在常温下也能通过与PIF4竞争下游靶标基因启动子来抑制下胚轴伸长[7]。在黑暗条件下或环境温度升高后,HY5被泛素连接酶COP1降解,从而解除了HY5对下胚轴伸长的抑制效果[7-10]。COP1在细胞核中发挥作用,但温和高温下COP1如何进核的分子机理目前不清楚。

温度的升高会使生长素表达水平上升,进而调节下胚轴伸长等植物生长活动[11]。有研究表明当温度升高时,拟南芥中生长素响应基因表达水平也有所变化[12]。拟南芥在响应温和高温时,PIF4能够直接结合生长素合成基因,如YUC8TAA1CYP79B2等基因的启动子。PIF4通过激活TAA1CYP79B2基因的表达,进而介导吲哚乙酸(IAA)的合成[13]。而IAA的积累能够促进AUX/IAA蛋白的降解,进而消除对ARF蛋白的抑制作用。最后ARF通过激活SAUR19等基因的表达促进胚轴伸长[14]。其它植物激素,例如,油菜素内脂BR和赤霉素GA在植物热形态建成中也发挥着重要的作用[12, 15-17]

本实验利用拟南芥PIF4缺失突变体和PIF4过表达等材料开展研究。遗传分析表明,PIF4PIF5PIF7中,PIF4在热形态建成中的作用最重要。通过对RNA-Seq结果和结合CHIP-Seq分析找到了拟南芥热形态建成中PIF4调控的下游基因以及结合靶标基因。

1 材料与方法 1.1 材料

实验所使用的植物材料有拟南芥(Arabidopsis thaliana)Columbia生态型(Col-0),拟南芥Columbia背景突变体pif4-101,拟南芥野生型背景下PIF4: PIF4-myc转基因植株,拟南芥pif4-101背景下PIF4: PIF4,PIF4: PIF5,PIF4: PIF7转基因植株。所使用的菌株有大肠杆菌(Escherichia coli)TOP10,农杆菌菌株(Agrobacterium tumefaciens)GV3101。这些材料均为本实验室获得和保存。

1.2 方法 1.2.1 拟南芥的平皿培养

将同批收获的种子放于1.5 mL离心管中,用1 mL体积比为50%的酒精迅速清洗1次,用体积比0.3%的NaClO消毒15 min后,于超净台内用无菌水清洗3次,播种在含质量浓度1.2%蔗糖的1/2MS固体培养基上。4℃春化2-3 d后置于22℃光照培养箱,光16 h/暗8 h。

1.2.2 下胚轴长度测量和分析

将相应材料于22℃培养4 d后,在第5天光照开始时移至29℃培养4 d,以22℃培养的植物作为对照。用相机分别拍下对应天数的不同材料的拟南芥幼苗生长照片,利用ImageJ软件进行数据测量分析。

1.2.3 RNA-Seq

拟南芥Columbia野生型(wild-type,WT)和pif4-101突变体4℃春化2 d后于22℃培养7 d。在光照开始时将幼苗移至29℃处理1 d,以22℃培养的植物作为对照。于黑暗周期结束后收集拟南芥幼苗用于RNA-Seq。根据Illumina标准步骤构建cDNA文库,Illumian Hiseq3000测序(晶能公司)。GO分析采用AgriGO(v2.0)进行分析[18]

1.2.4 染色质免疫共沉淀-定量PCR(ChIP-qPCR)

分别将拟南芥Columbia野生型及PIF4: PIF4-myc转基因植株于22℃培养,第12天29℃处理24 h,以22℃培养的植物作为对照。用甲醛固定液固定,后用2.5 mol/L甘氨酸解交联,MilliQ水清洗材料3次。去除水分,冻于-80℃保存。将材料用液氮研磨成粉末,加入30 mL EB1,用2层Miracloth过滤。离心后用1 mL EB2重悬,离心并用300 μL EB3重悬沉淀,并覆盖于600 μL EB3上。离心并用300 μL NLB重悬沉淀,使用biorupt进行超声,超30 s停30 s。离心取部分上清做Input。其余每个重复加入50 μL protein A beads去除与beads的非特异性结合。取上清加入2 μg myc抗体,于4℃旋转过夜。次日加protein A beads 110 μL,4℃ 2 h后低速离心留beads。分别用低盐、高盐和LiCl和TE缓冲液清洗beads。分两次加入300 μL洗脱缓冲液65℃煮15 min,合并。用洗脱缓冲液将Input补齐到500 μL,与免疫沉淀后的DNA-蛋白复合物一起于65℃解交联约6 h。用蛋白酶K去除蛋白,RnaseI去除RNA。沉淀DNA,并用无水乙醇及70%乙醇清洗沉淀,晾干后用无菌水溶解。

以MYC抗体沉淀的DNA为模板,进行qPCR扩增,以actin启动子序列作为阴性对照。qPCR实验使用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ(TaKaRa)试剂,在Bio-Rad CFX96TM仪器上完成。反应体系按照TaKaRa及Bio-Rad CFX96TM仪器配制。得到数据后分析处理并作图。

1.2.5 实时荧光定量PCR实验(qRT-PCR)

RNA提取使用植物总RNA提取试剂盒(TIANGEN),总RNA保存于-80℃。cDNA使用M-MLV(TaKaRa)反转录得到,保存在-20℃。

qRT-PCR实验使用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ(TaKaRa)试剂,在Bio-Rad CFX96TM仪器上完成。反应体系按照TaKaRa及Bio-Rad CFX96TM仪器配制。得到数据后分析处理并作图。

2 结果 2.1 PIF4在拟南芥热形态建成中的主要生物学功能

本实验在拟南芥PIF4突变体pif4-101背景下采用PIF4自身启动子分别回补PIF4PIF5PIF7,利用这3种互补遗传材料来研究PIF4及同源蛋白在拟南芥热形态建成中的生物学功能的区别。野生型拟南芥和pif4-101、PIF4: PIF5、PIF4: PIF7在22℃生长8 d后,4种材料的幼苗下胚轴长度基本一致(图 1-A),而PIF4: PIF4的下胚轴则明显长于其他材料。而在22℃生长4 d、29℃生长4 d的条件下,PIF4: PIF4的下胚轴伸长更长,野生型和PIF4: PIF5的下胚轴比22℃时伸长的幅度接近,而pif4-101、PIF4: PIF7则几乎不伸长(图 1-B)。

图 1 PIF4突变体的表型遗传互补分析 PIF4突变体pif4-101为背景,转入PIF4自身启动子驱动的PIF4(PIF4: PIF4)、PIF5(PIF4: PIF5)和PIF7(PIF4: PIF7)。野生型WT和PIF4突变体pif4-101植物为对照。A:发芽8 d后的照片。B:代表性株系下胚轴长度分析,误差线为8颗幼苗的统计数据;C:PIF4PIF5PIF7在各幼苗中的表达量。相对表达量为选定基因与内参基因Actin的表达量的比值。野生型中22℃的表达值归一化为1,误差线为3个样品的统计数据。*P < 0.05;**P < 0.01;***P < 0.001。B图采用t-test统计分析,C图采用ANOVA统计分析

基因表表达分析(图 1-C)表明,PIF4: PIF4植物中正常条件下PIF4表达量比野生型中高,可能是PIF4: PIF4植物正常温度条件下下胚轴比较长的原因。这些结果表明,拟南芥热形态建成中PIF7的功能较小,PIF5也具有PIF4类似的功能,但PIF4的功能明显比PIF5的功能强。因此,PIF4在拟南芥热形态建成中具有重要的功能。

2.2 热形态建成中PIF4调控的下游基因

为了在全基因组水平上理解热形态建成过程中PIF4调控的下游基因表达,将拟南芥野生型和突变体pif4-101在22℃培养7 d后,于光周期中白光开始时用29℃处理24 h,在黑暗结束后取样,以不处理的植物作对照,收集幼苗全苗进行转录组测序(RNA-Seq)。对转录组数据进行统计分析后显示,在拟南芥野生型与pif4-101中分别有602个基因和512个基因受温和高温处理上调,并有529个基因和484个基因受温和高温处理下调。其中有248个基因只在野生型中特异上调,198个基因只在野生型中特异下调(图 2,附表)。

图 2 PIF4突变体与野生型热处理的RNA-SEQ分析 野生型WT和PIF4突变体pif4-101温和高温(29℃)的处理后进行RNA-Seq,维恩图分析基因表达差异(29℃与22℃条件下基因表达值之比FC > 2,q值< 0.05)

对于这些只在野生型中上调的248基因,我们认为它们是PIF4依赖的热响应基因。GO分析(图 3)显示,PIF4依赖的热响应基因中主要参与脱落酸响应、生长素响应、几丁质响应、脱水响应、盐胁迫、冷驯化等过程。综上所述,这些结果表明,PIF4依赖的热响应基因主要参与植物激素信号通路和逆境应答。

图 3 PIF4依赖的热响应基因GO分析 PIF4依赖的热响应基因(248)采用AgriGO(v2.0)进行分析,参数为默认参数

对于354个在野生型和突变体pif4-101中上调的下游基因,对其上调幅度也进行了比较。结果(表 1)显示,有21个基因在pif4-101突变体中的上调倍数是野生型(WT)中上调倍数的1/2及以下,我们把这些基因视作是部分依赖PIF4调控的热形态建成基因。

表 1 部分依赖PIF4调控的热形态建成基因
2.3 热形态建成中PIF4调控的结合靶标基因

为了检测上述PIF4依赖和部分依赖的基因是否是PIF4的直接靶标基因,我们在拟南芥野生型背景下过表达myc标签融合的PIF4-myc材料(PIFox)。野生型WT和PIF4ox-5PIF4ox-8转基因材料在22℃正常生长8 d后,PIF4过表达转基因材料表现出下胚轴变长的表型。在22℃生长4 d后移入29℃培养4 d,野生型的下胚轴出现一定程度的伸长,PIF4过表达转基因材料下胚轴伸长现象更加明显(图 4)。这表明PIF4过表达材料正常温度下可能已经激活部分下游基因,并且能响应环境温度升高的变化,这些材料可以用于后续结合靶标基因的实验。

图 4 PIF4过表达的表型分析 将myc标签与PIF4融合,在PIF4启动子的驱动下,在野生型背景下筛选PIF4-myc过表达转基因材料(PIFox)后进行表型分析。PIF4突变体pif4-101植物为对照。误差线为24个幼苗的统计数据。***P < 0.001;NS:P > 0.05不显著(t-test)

在研究植物激素BR调控下胚轴伸长过程时,王志勇课题组采用pifq四突变体背景下自身启动子驱动的PIF4-myc过表达材料,正常生长条件下进行染色质共免疫沉淀深度测序(ChIP-Seq)分析,得到4 583个候选的PIF4结合靶标基因[15-16]

为了研究热形态建成中PIF4的结合靶标基因,我们比较了上述248个PIF4依赖的基因以及PIF4候选的结合靶标基因,得到70个热形态建成过程中被PIF4结合的候选靶标基因。

我们随机选择了7个靶标基因,包括AT1G29395(COR413IM1)、AT1G73120(F-box蛋白)、AT2G47780(LDAP2)、AT3G28857(PRE5)、AT4G14130(XTR7)、AT5G07010(ATST2A)、AT5G18050(SAUR22),利用PIF4-myc过表达材料(PIFox-5)进行ChIP-qPCR实验。结果(图 5)表明,AT1G29395、AT3G28857、AT5G18050这3个基因的启动子区域在正常温度下就可以被PIF4-myc富集(≥1.5倍,P < 0.05),在环境温度升高后7个候选靶标基因中,6个基因(AT1G29395、AT1G73120、AT2G47780、AT3G28857、AT5G07010、AT5G18050)的启动子区域被PIF4-myc富集(≥1.5倍,P < 0.05),说明通过生物信息分析得到的70个PIF4结合靶标基因中绝大部分为实际PIF4结合靶标基因(附表)。

图 5 PIF4体内结合下游基因启动子的分析 PIF4-myc过表达转基因材料在常温(22℃)和温和高温(29℃)下处理,采用myc抗体进行染色质共免疫沉淀(ChIP),针对7个候选结合靶标基因启动子区域设计引物,采用定量PCR(qPCR)进行比较。相对富集量为PIF4-myc在目标基因启动子和内参基因(Actin)启动子上富集量之间的比值。数据为3次ChIP的平均值。***P < 0.001;**P < 0.01;*P < 0.05;NS:P > 0.05不显著(t-test)

我们也比较了上述21个PIF4部分依赖的基因以及PIF4候选的结合靶标基因,得到4个PIF4热形态建成过程中被PIF4结合的靶标基因(表 1)。我们把这74个PIF4结合靶标基因视作热形态建成中PIF4结合的靶标基因,这些靶标基因是否被PIF4直接结合可以采用凝胶迁移EMSA实验进行证明。

2.4 PIF4过表达对下游基因的影响

为了研究PIF4过表达对下游基因表达的影响,将野生型(WT)和PIF4-myc过表达材料(PIF4ox-5)进行不同温度处理,检测以上提到的7个基因的表达情况。结果(图 6)表明,6个基因(AT1G29395、AT1G73120、AT2G47780、AT3G28857、AT4G14130、AT5G18050)正常温度下PIF4ox-5中的表达量高于野生型中的表达量,只有1个基因(AT5G07010)在温和高温处理后PIF4ox-5中表达量才高于野生型中的表达量。

图 6 PIF4过表达对下游基因表达的影响 将野生型(WT)和PIF4-myc过表达转基因材料(PIF4ox-5)在常温(22℃)和温和高温(29℃)下处理1 d,针对7个候选直接靶标基因编码区域设计引物,采用定量RT-PCR(qRT-PCR)对这些基因的表达量进行比较。基因相对表达量为目标基因表达量和内参基因(Actin)表达量之间的比值。数据为3次生物重复的平均值
3 讨论

bHLH家族转录因子PIF4与关敏色素phyB互作,参与植物光形态建成,后续更多的研究表明,PIF4是植物热形态建成中的重要调控节点[19-23]。我们的实验结果也表明,在几个PIFs中,PIF4在植物热形态建成中功能最重要。PIF4基因的表达受时钟的调控,同时也受温和高温的诱导[20, 24]。PIF4蛋白也受到翻译后修饰调控。例如,在白光下phyB和BIN2可以磷酸化PIF4,导致PIF4的降解[25-26]。环境温度升高后磷酸化的PIF4积累[27],这主要与DET1稳定PIF4有关[7]。此外,PAR1和CRY1也可以与PIF4互作,温和高温下抑制PIF4的转录活性[5, 28-29]

PIF4的靶标基因中有很多是植物激素合成和响应基因[12, 15],因此一般认为PIF4在热形态建成中主要通过植物激素,如生长素途径发挥作用[11, 23]。事实上,生长素合成基因比如YUC8和生长素响应基因比如IAA4IAA29,受温和高温的诱导上调并且依赖于PIF4[13, 20]。但是,PIF4在全基因组水平的热形态建成中的下游基因并未见报道。我们采用RNA-Seq的方法,得到了温和高温处理后受PIF4调控的269个下游基因(包括21个PIF4部分依赖的下游基因)。这些基因中生长素响应途径的基因(IAA6IAA19IAA34SAUR22SAUR57SAUR59)和脱落酸响应途径的基因得到显著富集。此外,一些细胞壁伸长相关基因和逆境胁迫响应基因也得到富集。我们的结果为理解植物热形态建成的基因调控提供了帮助。

这些PIF4调控的热形态建成下游基因中,据估算大约有25%为热形态建成中PIF4调控的结合靶标基因,其他为PIF4间接调控的下游基因。例如,编码膜蛋白COR413IM1的基因AT1G29395被证明是PIF4的直接调控基因。温和高温处理下的该基因的诱导表达依赖于PIF4,野生型中组成性表达PIF4正常温度下该基因上调表达。而编码细胞壁成分、改变有关的木葡聚糖内糖基转移酶XTR7的基因AT4G14130并不被PIF4直接结合,是PIF4间接调控的下游基因。温和高温处理下该基因的诱导表达也依赖于PIF4,野生型中组成性表达PIF4正常温度下该基因也上调表达。

此外,PIF4对下游靶标基因的结合能力也有差别,当PIF4组成性表达后,有的靶标基因在正常温度下就可以被PIF4结合,而有些靶标基因只有在温和温度处理后才被PIF4结合。例如,编码磺基转移酶ATST2A的AT5G07010启动子只有在温和高温处理下才显著被PIF4结合。温和高温处理下该基因的诱导表达依赖于PIF4,野生型中组成性表达PIF4,正常温度下该基因没有上调表达,但温和高温处理后该基因明显诱导表达。这些结果暗示其他的温和高温处理依赖的转录调控因子可能与PIF4一起调控了该基因的表达。PIF4过表达植物正常条件下下胚轴伸长,温和高温下有进一步的伸长,而在检测的7个基因中,只有1个基因(ATST2A)的表达量在PIF4过表达植物中温和高温下有进一步上调表达,说明一部分PIF4调控基因在温和高温下对下胚轴的伸长非常重要。

4 结论

获得拟南芥热形态建成中248个PIF4完全依赖和21个PIF4部分依赖的下游基因,这些下游基因主要参与植物激素和非生物逆境响应。这些PIF4调控的热形态建成下游基因有74个基因是PIF4结合靶标候选基因。选择7个PIF4候选靶标基因,有6个基因被PIF4直接结合。

注:本论文中附表见电子版(http://biotech.caas.cn)

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