PNAS：生物钟核心组分GI调控拟南芥GA信号的机制

来源：BioArt植物

生物钟是一种内源性分子计时机制，使各种生理代谢过程产生约24小时的节律【1】。生物钟通过提供时间信号使植物使內源生理反应与外界环境变化充分协调从而提高植物适应性，而这需要植物內源生理途径与生物钟途径高度偶联。激素信号是生物钟途径与植物內源生理途径偶联的关键调控网络【2,3】。

赤霉素 (GA) 是植物生长发育的关键激素。GA对于各种植物生长发育过程，如种子萌发、茎的伸长和开花等都是必不可少的【4】。生物钟可通过影响GA合成和代谢基因的转录水平从而调控GA含量和GA下游途径【5】。另外，生物钟还通过控制GA受体GID1的表达来调控对GA的响应【6】。这些研究证明生物钟可在转录水平上调控GA信号，但是生物钟对GA信号途径的转录后调控机制仍不清楚。

近日，美国南加利福尼亚大学（University of Southern California）的Steve A. Kay团队在PNAS发表了一篇题为GIGANTEA gates gibberellin signaling through stabilization of the DELLA proteins in Arabidopsis的研究论文，揭示了拟南芥生物钟的核心组分GI （GIGANTEA）通过稳定DELLA蛋白来调控赤霉素信号的机制。

该研究通过酵母双杂交筛选GI的互作蛋白，发现GA信号负调控因子DELLA蛋白RGA（REPRESSOR OF GA1-3）、GAI（GIBBERELLIC ACID INSENSITIVE）、和RGL3（RGA-LIKE PROTEIN 3）都能与GI互作，并通过CoIP和pull-down实验分别在体内和体外验证了GI蛋白和DELLA蛋白的互作关系。研究发现，GI不影响RGA的转录水平，但GI影响RGA蛋白稳定性。进一步研究发现，在GI过表达时，夜间RGA蛋白水平仍然很高；而在没有GI的情况下，全天RGA蛋白水平都很低，证明GI是RGA蛋白节律性积累所必需的。

体外实验证明，GI影响了GA受体与RGA的相互作用。另外，体外降解实验表明gi 突变体中GFP-RGA降解速度比野生型更快，但GI并不影响RGAΔ17（DELLA 结构域缺失的RGA，不与GID1结合）的蛋白水平。以上实验结果说明GI与RGA结合可能会阻碍GA受体GID1与RGA蛋白的连接，从而干扰其降解。gi突变体表型出对GA3超敏反应，而对PAC（GA合成抑制剂）不敏感，说明GI突变改变了GA信号。

为了进一步研究GI引起的DELLA稳定性对GA信号的调节作用，研究人员在一天不同时间用GA4处理野生型和gi突变体植株，并测量对下胚轴伸长的影响。结果显示，在ZT12时 GA4处理对野生型植株的影响最大，而gi 突变体在ZT12处表现出更强的响应，并且在整个晚上对GA4处理都有更强的响应，这进一步表明，GI对GA信号的调控作用。

最后，研究人员提出一个GI对GA信号调控的工作模型： GI在白天积累，通过阻碍GID1A与DELLA蛋白的相互作用，从而稳定DELLAs，抑制下胚轴伸长；在夜晚，GI的逐渐降解，GID1A与DELLA蛋白的相互作用，使DELLA蛋白降解，促进GA应答基因表达及下胚轴伸长。

GI的作用模型

综上所述，本研究揭示了生物钟核心组分GI和激素信号之间的联系。GI通过与DELLA蛋白相互作用稳定DELLA蛋白，从而直接影响DELLA蛋白的节律性积累和对GA敏感性响应时间，从而调节GA引起的生理响应。本研究揭示了生物钟和内源性激素信号通路的重要整合机制，为生物钟有效地将时间信息传递给生理通路提供了一种方式。

参考文献：

【1】K. Greenham, C. R. McClung, Integrating circadian dynamics with physiological processes in plants. Nat. Rev. Genet. 16, 598–610 (2015).

【2】Y. S. Ku, M. Sintaha, M. Y. Cheung, H. M. Lam, Plant hormone signaling crosstalks between biotic and abiotic stress responses. Int. J. Mol. Sci. 19, E3206 (2018).

【3】H. Takatsuji, C. J. Jiang, “Plant hormone crosstalks under biotic stresses” in Phytohormones: A Window to Metabolism, Signaling and Biotechnological Applications, L. S. Tran, S. Pal, Eds. (Springer, New York, 2014).

【4】P. Achard, P. Genschik, Releasing the brakes of plant growth: How GAs shutdown DELLA proteins. J. Exp. Bot. 60, 1085–1092 (2009).

【5】X. Zhao et al., A study of gibberellin homeostasis and cryptochrome-mediated blue light inhibition of hypocotyl elongation. Plant Physiol. 145, 106–118 (2007).

【6】M. V. Arana, N. Marín-de la Rosa, J. N. Maloof, M. A. Blázquez, D. Alabadí, Circadian oscillation of gibberellin signaling in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 9292–9297 (2011).

原文链接： 

https://doi.org/10.1073/pnas.1913532116