TERMINAL FLOWER 1-FD complex target genes and competition with FLOWERING LOCUS T

TFL1通过与FT竞争性的结合FD

通讯作者: Doris Wagner

研究机构: 美国宾夕法尼亚大学

研究方向：植物转录调控，表观遗传学，发育生物学和胁迫响应

期刊名称：Nature Communications

出版时间：2020年

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18782-1

摘要：

       植物通过调节生殖和花序结构的起始来监控植物的季节性变化，从而优化生殖成功率。TFL1和FT基因以及它们的同源物相互拮抗能够调控植物的生活史。然而它们彼此之间的作用机制、拮抗作用和靶基因研究相对较少。本研究中，实验人员证明了TFL1通过调控因子FD被招募到上千个基因座上，同时研究人员发现LEAFY能够作为TFL1和FT双重对立调控下的靶基因，FT和TFL1通过与FD作用来竞争的共同结合位点，并揭示FT能够上调LEAFY的表达从而促进成花，而直接由TFL1-FD复合物调控的靶基因能够作为抑制生殖发育和内源性信号通路的主要调节剂的枢纽。该研究提供了有关TFL1-FD如何塑造花序结构的机制的见解，这对于生殖成功，植物结构和产量至关重要。

结果简介：

TFL1通过FD被招募到多个基因座上

 研究人员通过对TFL1加上特异性的蛋白标签（GFP）来对TFL1进行监测，发现TFL1在拟南芥茎生芽的腋生分枝分生组织中大量积累，从而促进植物的营养生长。为研究TFL1和FD之间的关系，研究人员通过构建gTFL1-GFP tfl1-1、gFD-GUS fd-1和gTFL1-GFP fd-1系统并对其进行染色质免疫共沉淀测序，结果表明TFL1和FD存在大量相似的靶位点，并且FD对TFL1具有招募的作用。GO富集分析结果表示TFL1和FD的靶基因主要都属于非生物和内源性刺激反应和生殖发育相关通路的成员。证明了TFL1和FD共同的靶基因和TFL1已知的生物学作用一致。

LEAFY受到TFL1/FD和FT/FD的双重反向调控

 LEAFY作为成花启动的重要调控因子之一，在植物花原基形成过程中起到重要的作用，而TFL1已经被证明能够促进植物分枝的形成，为探究LEAFY是否受到TFL1/FD复合物的调控。研究人员通过ChIP-qPCR证明了FD招募TFL1共同靶向调节LEAFY的表达。为了进一步证明两者之间的关系，又构建了TFL1的雌二醇诱导系统，验证了TFL1/FD复合物对LEAFY的直接抑制作用。进一步研究发现，TFL1/FD复合物在LEAFY中的靶向位点位于LEAFY的第二个外显子上，该外显子上所包含的一个保守的G-box和两个部分保守的C-box区域，将这三个的bZIP绑定位点突变后，LEAFY失去对TFL1和FD的招募作用。为证明LEAFY在花原基中的累计表达，研究人员通过构建gLFY-GUS和pLFYi2-GUS报告载体，转化后发现报告子在花序芽顶端表达，而将三个bZIP位点突变后，LEAFY的表达位置会发生改变而转移到花序顶端中心部位。说明TFL1/FD通过靶向结合LEAFY第二个外显子的bZIP位点从而阻止LEAFY在花序顶端中心位置的积累。

       为了探究FT与LEAFY之间的关系，对短日照的拟南芥进行红光照射处理（FRP），FT在FRP处理下表达量上调，同时依赖于FT的变化，LEAFY表达水平在FRP下也随之上调。在FRP处理下，LEAFY依赖于FT的上调表达同样与其第二个外显子上的bZIP保守位点是否突变有关，同样的研究人员基于FT基因构建了雌二醇诱导系统，单独的雌二醇诱导4h后，LEAFY表达水平上升。通过对FT-HA^ER和pLFYi2:GUS以及pLFYi2m3:GUS进行杂交后进行雌二醇诱导发现内源LEAFY和pLFYi2:GUS表达量上调，而pLFYi2m3:GUS未发生变化。综合以上实验，FT-FD直接靶向到LEAFY的第二个外显子上来激活LEAFY的表达，这些发现促使我们评估LEAFY bZIP结合位点对花序结构的生物学重要性。

      利用gGLFY对lfy-1进行拯救发现能够恢复植株正常表型，而gGLFYm3只能部分的恢复表型，在gGLFYm3 lfy-1中开花时间显著延迟并形成更多的分枝。研究人员注意到，在gGLFYm3 lfy-1茎尖中心的LEAFY积累比在tfl1突变体中观察到的低得多，并且gGLFYm3 lfy-1没有表现出tfl1的典型终端花表型。这是因为LEAFY第二个外显子中bZIP位点的突变会阻止TFL1和激活PEBP家族成员FT以及紧密相关的FT的TWIN SISTER的进入。

FT在共同靶位点与TFL1竞争FD

 前面的研究已经表明，LEAFY受到TFL1和FT的双重反向调控，但两者之间的竞争机制如何并不清楚，因此作者通过雌二纯诱导处理FT-HA^ER gTFL1-GFP植株，ChIP-qPCR结果表明TFL1的表达水平受到抑制，而FT表达水平上升。同时研究人员为探究内源FT变化是否也能与THL1竞争LEAFY上的靶位点，通过FRP处理同样达到同样的效果，不同的是，FD并没有在FRP处理下发生变化。为了探究FT是否受到bZIP位点的影响被招募到LEAFY上，FT-HA^ER结合野生型的e2序列和突变后的e2序列，在雌二醇诱导下，FT最终的结果和TFL1一致，说明FT在LEAFY上靶位点与TFL1一致。

TFL1-FD复合物抑制靶基因促进花序的形成和内源信号

 为了深入了解TFL1-FD复合体对其他基因表达的抑制作用，对有无经过FRP处理过ft, WT和tfl1植株进行转录组测序，测序结果表明FRP处理后，在野生型或tfl1突变体中有640个TFL1-FD结合基因被显著抑制，而在ft突变体中则没有，富集分析结果表明，这些基因都属于生殖发育和内源信号相关的通路基因。结合qPCR分析结果证明TFL-FD复合物是抑制关键调控因子的枢纽，这些调控因子抑制生殖发育的起始以及向花朵命运的转变。同时结合ChIP-seq数据表明，在糖信号和激素合成相关通路中依赖于TFL1-FD的基因能够通过FT的上调表达来降低TFL1的抑制作用。进一步研究发现TFL1-FD依赖性途径的相关基因可能会调节除花序结构外的其他方面，例如分枝生长。综合数据表明，成花素通过调控关键的发育调控因子和内源性信号传导来使将植物形态适应于环境。