PRH1 mediates ARF7-LBD dependent auxin signaling to regulate latwural root development in Arabidopsis thaliana

First author: Feng Zhang; Affiliations: Shandong University (山东大学): Qingdao, China

Corresponding author: Zhaojun Ding

The development of lateral roots in Arabidopsis thaliana is strongly dependent on signaling directed by the AUXIN RESPONSE FACTOR7 (ARF7), which in turn activates LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN (LBD) transcription factors (LBD16, LBD18 and LBD29). Here, the product of PRH1, a PR-1 homolog annotated previously as encoding a pathogen-responsive protein, was identified as a target of ARF7-mediated auxin signaling and also as participating in the development of lateral roots. PRH1 was shown to be strongly induced by auxin treatment, and plants lacking a functional copy of PRH1 formed fewer lateral roots. The transcription of PRH1 was controlled by the binding of both ARF7 and LBDs to its promoter region.

拟南芥中侧根的发育非常依赖有生长素响应因子（AUXIN RESPONSE FACTOR）ARF7介导的信号转导通路，该信号会激活侧生器官边界结构域（LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN）转录因子LBD16、LBD18和LBD29基因。本文中，一个之前被注释为编码病原响应蛋白的PR-1同源基因PRH1，作者发现其是ARF7介导的生长素信号通路的靶基因，参与了侧根的发育。生长素处理能够强烈诱导PRH1基因的表达，而且PRH1的功能缺失突变体的侧根数量明显的变少。ARF7和LBDs蛋白能够结合到PRH1基因的启动子区域。

提纲挈领计划

Background

双子叶植物的根一般都是直根系（taproot system），由一个发达的主根和多级侧根构成，茂盛的侧根系统有利于植物获取更多的水分和营养，因此侧根的发育对于植物的生长与发育至关重要。侧根起始于与原生木质部极相邻的、成熟的中柱鞘细胞，这些细胞会经过几轮的高度组织化分裂，包括平周分裂和垂直分裂，形成侧根原基。先前的研究表明，生长素（Auxin）信号全程参与了侧根的起始和发育。在侧根起始过程中，生长素信号主要通过两个不同的AUX/IAA-ARFs模块，即IAA14-ARF7/19模块和IAA12-ARF5模块来建立侧根奠基细胞特性（founder cell identity）。在侧根起始后，生长素通过激活覆盖在侧根原基上方细胞中的细胞壁重塑因子IDA、HAE和HSL2等基因以及EXPANSIN基因的表达，从而作用于侧根的形成。而LBD基因家族的某些成员作为ARF7介导的生长素信号下游组分作用于侧根的形成。

Step 1.    本文中，作者为了鉴定ARF7介导的生长素信号下游因子，通过比较野生型与arf7突变体拟南芥在有无NAA处理条件下的转录组数据，结果发现了一个候选基因，即PRH1 (At2g19990)基因。

Step 2.    通过该基因的表达模式分析（PRH1pro:GUS in WT background），作者发现该基因特异在侧根原基上方的几层细胞中表达，并且NAA处理能够加强这种表达模式；但是，在arf7突变体中，无论是有无NAA处理，PRH1的表达受到明显的抑制。这些结果说明PRH1基因极有可能参与侧根的形成以及PRH1基因的表达依赖于ARF7介导的生长素信号通路。

Step 3.   接着，为了进一步确认PRH1基因是否参与了侧根的发育，作者构建了prh1功能缺失突变体和PRH1过表达株系。结果发现，prh1突变体侧根原基的数量受到影响，并且侧根的形成有明显的缺陷，且将PRH1pro:PRH1转到prh1突变体中能够恢复侧根的缺陷表型；另外，野生型中过表达PRH1并无明显表型，但在aft7突变体中过表达PRH1基因，在NAA处理下能够明显增加侧根数量。这些结果说明PRH1基因确实能够作用于侧根的发育。

Step 4.   由于PRH1基因在ARF7介导的生长素信号下游发挥作用，作者研究了ARF7对于PRH1基因的表达调控是直接的还是间接的。首先，作者在PRH1基因启动子区域鉴定到了生长素响应元件TGTC。接着，利用拟南芥原生质体的瞬间表达试验显示ARF7能够激活PRH1pro:LUC的表达。另外，CHIP和酵母单杂试验也再一次验证了ARF7能够结合到PRH1基因的启动子上。

Step 5.  作者发现在LBD家族基因lbd16、lbd18和lbd29突变体中，PRH1基因的表达均受到了严重的抑制。但是在lbd16和lbd18突变体中，生长素诱导的PRH1基因表达并不受影响；而在lbd29突变体中，生长素诱导的PRH1基因表达水平严重降低。另外，过表达LBD29植株中，PRH1基因的表达水平明显上调。这些结果说明LBDs能够调控PRH1基因的表达，且生长素诱导的PRH1基因表达依赖于LBD29。另外，LAX3在ARF7-LBD的下游作用于侧根的形成，作者同样研究了LAX3与PRH1基因之间的关联，结果发现，无论是有无NAA处理，PRH1基因的缺失并不会影响LAX3基因的表达；但是，lax3突变体中，生长素诱导的PRH1基因表达减少了，说明其可能通过局部生长素转运或积累参与了生长素诱导的PRH1基因表达。

Step 6.  既然LBDs能够调控PRH1基因的表达，作者又研究了LBDs对于PRH1基因的表达调控是直接的还是间接的。首先，作者在PRH1基因启动子区鉴定到了LBDs结合基序CGGCG和CACGTG。酵母单杂试验并未发现LBD16/18/29能够结合PRH1基因启动子，但是CHIP试验的确显示LBD16/18/29能够结合PRH1基因启动子。因此，作者又利用拟南芥原生质体的瞬间表达试验检测，结果发现LBD16/18/29确实能够增强PRH1pro:LUC的表达，并且任意两个LBDs的组合能够进一步增强PRH1pro:LUC的表达。

Step 7.  既然LBD能够结合PRH1基因的启动子并调控其表达，作者研究了PRH1基因是否参与了LBD介导的侧根发育调控。通过对过表达PRH1与lbd16、lbd18及lbd29突变体杂交子代的研究，作者发现35S::PRH1/lbd16、35S::PRH1/lbd18或者35S::PRH1/lbd29双突变体的侧根数量都有所提升，尤其是在NAA处理的情况下，说明PRH1基因确实参与了LBD介导的侧根发育。

Step 8.  另外，作者通过亚细胞定位发现PRH1-GFP定位于胞质。介于prh1突变体的侧根缺陷表型以及PRH1基因在侧根原基上方细胞层中的表达模式，作者检测了prh1突变体中与细胞壁形成相关基因的表达，结果发现与细胞壁松弛相关的EXPANSIN基因EXP3/8/11/14都明显的出现表达下调。

Summary

综上，生长素诱导的PRH1基因表达同时依赖于ARF7和LBDs。LBD29下游因子LAX3通过控制局部的生长素浓度影响PRH1基因的表达。而PRH1基因则是通过调控EXPANSIN基因的表达作用于侧根的形成。

通讯：丁兆军（http://www.lifesci.sdu.edu.cn/info/1062/1658.htm）

个人简介：1998年，聊城大学，学士；2003年，中国科学院植物研究所，博士；2004-2011年，德国马普植物育种所、比利时根特大学，博士后。

研究方向：主要是从植物激素尤其是生长素和细胞分裂素调控的角度，综合利用遗传学、细胞学和分子生物学、转录组学和蛋白组学等各种手段，研究植物根在铝，铬及营养缺陷等各种非生物逆境胁迫条件下根尖干细胞和根的可塑性生长发育的分子调控机制。

doi: https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008044

Journal: PLOS Genetics

Published date: February 07, 2020