光敏色素互作因子（PIFs）是调节光敏色素下游光反应的碱性螺旋-环-螺旋转录因子。PIFs的独特作用可能归因于启动子调控的mRNA表达模式的差异或蛋白质分子活性的变化，负责PIFs功能多样化的因素还有待确定。近日，韩国科学技术院的研究人员在The Plant Cell上发表了题为“The phytochrome-interacting factor genes PIF1 and PIF4 are functionally diversified due to divergence of promoters and proteins”的研究论文，他们研究了启动子和蛋白在PIF1和PIF4功能多样化中的作用。结果表明，PIF1和PIF4基因功能多样性是启动子和蛋白质共同作用的结果，其相对重要性根据特定的光反应而变化。
PIF1基因主要抑制种子萌发，而PIF4基因主要促进下胚轴在红光和高温条件下的伸长。为研究启动子或蛋白质在控制功能多样化中哪个组分起更大作用，研究人员进行了启动子交换实验。
图1. PIF1启动子主要赋予PIF1基因在调节种子萌发中的主导作用。
PIF1抑制种子萌发，PIF4则不会。但他们发现在35S启动子过表达时，PIF1和PIF4都会抑制种子萌发，说明了PIF mRNAs的表达模式在两个PIF中发挥重要作用。后续结合检测内源性PIF mRNAs表达、以及萌发实验表明PIF1在调控种子萌发中的优势主要归因于PIF1启动子，部分归因于PIF1蛋白。
图2. PIF4蛋白在PIF4在红光下控制下胚轴伸长中起主导作用
PIF4强烈促进下胚轴伸长，但PIF1在红光下即使有也只能非常微弱地促进下胚轴伸长。为了观察mRNA表达模式是否与它们在红光下调节下胚轴伸长的功能差异有关，研究人员测定了红光生长的野生型幼苗内源性PIF1和PIF4 mRNA水平。在红光照射下，PIF4 mRNA表达增强。然而测定红光下测定了启动子交换的PIF转基因株系的下胚轴伸长情况，由proPIF1或proPIF4表达的PIF4在红光下促进下胚轴伸长，而由proPIF1或proPIF4表达的PIF1在红光下没有促进下胚轴伸长。相关结果表明，PIF4在红光下调控下胚轴伸长的优势主要是由于PIF4蛋白，而PIF4启动子在红光下的高活性进一步加强了这一作用。
图3. 在高温环境下，PIF4需要PIF4启动子和PIF4蛋白共同促进下胚轴的伸长。
在高温条件下，野生幼苗内源PIF4 mRNA的高表达，以及proPIF4的强烈驱动表明，PIF4基因启动子在调控下胚轴伸长中起主导作用。结合启动子交换材料下胚轴伸长的研究表明，PIF4在调控高温下下胚轴伸长方面的优势是由PIF4启动子和PIF4蛋白的共同作用引起的。
图4. PIF蛋白的N端结构域决定了PIF1和PIF4的功能特征。
研究人员进一步研究PIF蛋白的哪些结构域赋予了它们的功能特征。通过交换PIF1和PIF4蛋白N、C端结构域产生嵌合蛋白，创建转基因株系。对转基因株系mRNA表达水平以及根伸长情况分析发现，PIF1和PIF4蛋白在调节种子萌发和下胚轴伸长方面的功能特征是由N端结构域而不是DNA结合C端结构域决定的。
图5. 在吸胀种子中，PIF1蛋白比PIF4蛋白更稳定。
通过免疫印迹分析等实验发现，PIF1蛋白比PIF4蛋白对种子萌发的抑制作用更强，部分原因是PIF1蛋白的N末端结构域允许PIF1蛋白在吸胀种子中积累到比PIF4蛋白更高的水平。
图6. 在高温环境下，PIF4而非PIF1能够激活生长素相关靶基因的表达。
研究人员研究了PIF4对生长素信号通路的影响发现，在幼苗中，PIF4蛋白比PIF1蛋白更强地促进下胚轴的延伸，部分原因是PIF4蛋白的N端结构域比PIF1蛋白更有效地激活生长素相关靶基因mRNA的表达。
原文链接:
https://doi.org/10.1093/plcell/koae110
文章来源：植物生物技术Pbj
