科研 | PLOS Genetics：抗病基因PRH1接收生长素信号，调控拟南芥侧根发育（国人作品）
编译：Yong-qin，编辑：十九、江舜尧。
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植物根系结构和侧根的密度与分支程度有关。侧根的发育始于中柱鞘细胞且受生长素调控，生长素信号由ARF7/19蛋白调控(IAA14/28信号通路)。侧根的发育需要转录因子LBD的激活，其中LBD18调控根毛发育相关基因(EXP14/17)和细胞壁松弛相关基因。LBD转录因子和富亮氨酸重复类受体蛋白激酶(HAE/HSL2)是ARF7的靶标，使细胞壁重构或降解。本研究发现是生长素信号的一个新靶标-PRH1(一种植物病程相关蛋白)，位于ARF7与LBD下游，调控侧根发育。
论文ID
原名：PRH1 mediates ARF7-LBD dependent auxin signaling to regulate lateral root development in Arabidopsis thaliana
译名：抗病基因PRH1接收生长素信号，调控拟南芥侧根发育
期刊：PLOS Genetics
IF：5.224
发表时间：2020.2
通讯作者：丁兆军
通讯作者单位：山东大学生命科学学院
DOI号：10.1371/journal.pgen.1008044
实验设计
结果
1 PRH1是生长素信号的靶标
对比生长8d的野生型幼苗和arf7突变株的侧根生长及差异表达基因(Fig 1A and B and C)，从中筛选出23个差异表达基因(P < 0.0001, log2fold change>1.5)(Fig 1D)，Arabidopsis eFP Browser分析表明8个基因与侧根生长有关。其中，PRH1受生长素诱导差异表达最显著(试验中用萘乙酸NAA处理)，且表明在arf7突变体中表达水平低(Fig 1E)。PRH1启动子的GUS表达分析表明PRH1在侧根原基区域(内皮层与表皮细胞)表达，且在NAA处理下GUS酶活性明显增强(Fig 2A and B)。而arf7突变株中PRH1表达被抑制，NAA处理仅轻微诱导其表达(Fig 2C and D)，同时qPCR证明arf7突变体中PRH1表达不受生长素影响(Fig 1E)。可得出结论：生长素诱导的PRH1主要在侧根原基表达，其表达依赖arf7介导的生长素信号。
2 PRH1作为ARF7下游靶标
通过对PRH1的3个突变等位基因(其中prh1-3由基因编辑产生)进行分析，在幼苗不同时期统计侧根原基数。结果表明，在I-Ⅳ时期侧根数量上升，后期减少(Fig 3A)。PRH1的缺失显著抑制侧根的形成，而PRH1的过表达可显著提高arf7突变株在NAA处理下的侧根数量(Fig 3C - E)。重力刺激试验表明prh1突变体在Ⅱ时期抑制侧根生长，但Ⅳ-Ⅴ时期生长率上升，到Ⅶ时期生生长率下降(Fig 3B)。综上，PRH1是位于ARF7下游的靶标。
3 ARF7调控PRH1的转录水平
arf7突变体中PRH1的转录水平下降，故而PRH1受ARF7调控。PRH1基因的启动子序列含有生长素响应元件AuxREs(Fig 4A)。瞬时表达分析表明ARF7能激活PRH1启动子，其双荧光素酶共转染对光信号有正向效应(Fig 4B)，ChIP-qPCR证明ARF7结合于PRH1启动子区域(Fig 4C)，酵母单杂交表明ARF7能与PRH1启动子互作(Fig 4D)。可得结论：ARF7结合于PRH1启动子区域并调控其转录水平。
4 LBD对PRH1的表达调控
研究表明IBD基因家族在ARF7下游调控侧根生长，试验结果表明lbd16/18突变体下PRH1正常表达，但在lbd29下转录表达明显下降，同时LBD29的过表达显著上调了PRH1的表达，表明LBD29调控PRH1的转录。PRH1启动子区域有LBD蛋白结合元件(CGGCG/CACGTG)，且ChIP-qPCR表明LBD16/18/29均结合PRH1启动子(Fig 5A)。双荧光素酶瞬时表达证明LBD16/18/29均影响PRH1启动子表达(Fig 5B)。可得结论：LBD基因通过结合PRH1启动子调控PRH1表达。
图5 LBD对PRH1的表达调控。(A)LBD作用并结合于启动子区域(ChIP-qPCR)(P<0.05/0.01)；(B)LBD与PRH1共转染的双荧光素酶活性(P<0.05/0.01)。
5 调控模型构建
在突变株lbd16/18/29中，PRH1的过表达增加植株侧根数量(Fig 6)，即PRH1参与LBD介导的生长素信号。除了ARF与LBD，本研究发现ARF7-LBD29的下游信号LAX3基因也调控PRH1表达，而PRH1基因调控细胞壁形成相关基因(EXPANSIN gene)表达。综合上述结论构建侧根生长的基因调控模型(Fig 7)：PRH1作为下游基因，其转录调控受ARF7与LBD影响，同时调控EXPANSIN基因表达；LAX3受LBD29调控，控制生长素在皮层的积累，进而诱导ARF7-LBD-PRH1通路。
结论
IAA14-ARF7/19与IAA12-ARF5是侧根发育的首要信号，LBD基因家族则作为ARF7的下游基因，编码转录因子，作为生长素信号。本研究发现了生长素诱导的新靶标PRH1，由ARF7介导。PRH1在arf与lbd突变株中有挽救侧根缺失的作用，其产物导向侧根原基周围细胞。值得注意的是，PRH1启动子区域同时存在LBD和ARF结合位点，这两者如何协调调控PRH1的表达有待研究。先前研究表明，信号组分的同质/异质二聚体在侧根形成过程起重要作用，而PRH1是否与LBD或其他因子互作调节侧根生长有待研究。
评论
拟南芥的生长素响应因子ARF7对于侧根生长至关重要，转录因子LBD位于ARF7下游转导生长素信号。本研究新发现一种病程相关蛋白PRH1是生长素信号的下游靶标，并且其启动子区域同时受ARF7和LBD调控，为植物体内的生长素信号通路提供了新见解。
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