Plant Cell | 中科院植物所王雷研究组揭示生物钟反馈调节远红光信号的分子机制

责编 | 奕樊

植物生物钟作为内源计时机制，不仅可帮助植物感知生存环境中光温等重要环境因子的昼夜节律性变化，还通过预测和协调细胞内代谢稳态以及机体的多种生理和发育过程，为植物的环境适应提供竞争性优势。光信号与生物钟之间存在密切互作关系：一方面，光是重要的生物钟授时因子，光信号可驯导生物钟，使植物生长和代谢的昼夜节律性与环境光周期同步，从而达到最优化的生长。另一方面，植物光信号又在时间维度受到生物钟的反馈调控。如远红光受体phyA在转录和蛋白水平都受到生物钟的精准调控，表现出显著的昼夜节律性，在黎明时达到峰值，因此，phyA又被称为黎明感受器（Dawn sensor） (Kircher et al., 2002; Seaton et al., 2018)。然而，目前对生物钟反馈如何调控光受体phyA及其介导的远红光信号还缺乏了解。

TIC（TIME FOR COFFEE）是生物钟的重要调节者，由于它主要在黎明时分发挥功能，与人类日常生活中咖啡的饮用时间相近而得名，它主要在生物钟的光信号输入过程中发挥作用 (Ding et al., 2007)。但目前还不清楚该基因是否反馈调节光信号。

近日，中科院植物所植物分子生理学重点实验室王雷研究组在The Plant Cell发表了题为TIME FOR COFFEE regulates phytochrome A-mediated hypocotyl growth through dawn-phased signaling的研究论文，揭示了生物钟反馈调节远红光信号的分子机制。

最近的研究发现，TIC通过多层次负调控远红光的光受体phyA，进而精细调节植物的光形态建成。王雷研究组研究发现，TIC的T-DNA插入和基因编辑功能缺失突变体在不同强度的远红光、红光和蓝光下都表现出下胚轴显著缩短的光信号敏感表型，说明TIC可能是光信号的重要负调节因子。RNA-seq分析发现，TIC与phyA在调控黎明时分的光控基因表达中起到相反作用。另外，PHYA及其它远红光信号关键组分如FHL和FHY1等在tic突变体中特异地在黎明前显著上调，而在傍晚时分与野生型相比却无明显差异，表明TIC可能主要在早晨调节远红光信号。

利用AP-MS（affinity purification-mass spectrometry）方法鉴定TIC的蛋白互作组，发现TIC可以招募转录共抑制因子TPL，并进一步与PHYA的启动子结合，从而在转录水平抑制PHYA在黎明时分的表达。同时也发现，远红光受体phyA可能是TIC的互作蛋白。分子生物学证据进一步表明，TIC能够与phyA在细胞核内直接互作，并促进光依赖的phyA降解。远红光可以促进细胞核内phyA 光小体的形成，而在tic突变体中，phyA 光小体的数量明显增加，暗示TIC也参与负调控远红光促进的phyA 光小体形成。遗传学证据表明，在持续的远红光条件下，PHYA的突变可以恢复tic突变体下胚轴变短的表型，表明在遗传上PHYA是介导TIC调控远红光信号的关键下游因子。有趣的是，在PHYA功能缺失时，TIC仍然可以抑制FHL/FHY1等的表达，说明TIC对其它远红光信号的转录调控独立于PHYA。

图：TIC在黎明期调节phyA活性和下胚轴生长的分子模型

综上所述，该研究系统解析了生物钟调节子TIC在转录到翻译后的多个层级负调控远红光受体phyA及其它远红光信号关键组分，从而调节光形态建成的分子机制，为未来全面解析生物钟与光信号之间复杂的反馈调控网络奠定了基础。由于phyA在植物调控植物庇荫反应中发挥着重要作用，该研究也为耐低光植物的培育提供了理论支撑和分子设计靶点。

王雷研究组已毕业博士生王岩、在读博士生苏晨、于英俊为并列第一作者，王雷研究员为通讯作者。中国农业大学李继刚教授和英国约克大学植物学系Seth. J. Davis教授亦对本文有重要贡献。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献

Ding Z, Millar AJ, Davis AM, Davis SJ (2007) TIME FOR COFFEE encodes a nuclear regulator in the Arabidopsis thaliana circadian clock. Plant Cell 19: 1522-1536

Kircher S, Gil P, Kozma-Bognar L, Fejes E, Speth V, Husselstein-Muller T, Bauer D, Adam E, Schafer E, Nagy F (2002) Nucleocytoplasmic partitioning of the plant photoreceptors phytochrome A, B, C, D, and E is regulated differentially by light and exhibits a diurnal rhythm. Plant Cell 14: 1541-1555

Seaton DD, Toledo-Ortiz G, Ganpudi A, Kubota A, Imaizumi T, Halliday KJ (2018) Dawn and photoperiod sensing by phytochrome A. Proc Natl Acad Sci U S A 115: 10523-10528

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac138