河南大学/中科院植物所合作团队揭示植物生物钟的精细运行机制

生物钟 (Circadian clock) 作为有机体内在的时间调控机制，产生在分子、生化、生理及动物行为上的近24小时节律 (Circadian rhythms)，与环境中授时因子信号的周期性变化维持同步 (Synchronization)，保证有机体的环境适应能力。构成植物生物钟的诸多核心振荡子 (Core oscillators) 具有精细的时空表达特性，但分子模型有待深入解析【1】。此前的研究表明，生物钟组分CCA1, LHY, RVE8, RVE4与LNK1, 2在清晨时段相互作用，RVE4, 8通过LNK1, 2激活生物钟的重要抑制组分——PSEUDO-RESPONSE REGULATORs (PRR) 家族中PRR1/TOC1与PRR5在夜间的转录【2】；PRR9,7,5,3,1基因从清晨到夜间时序性达到转录高峰【3】，持续发挥转录抑制功能，目前的研究表明，PRRs可以与PIFs和TOPLESS家族互作共同抑制CCA1等在清晨的表达【4,5】，但有关PRRs抑制靶基因转录的作用机理仍不清楚。

5月14日，河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室徐小冬教授、谢启光教授与中科院植物所王雷研究员合作在The Plant Cell在线发表了题为 BBX19 fine-tunes the circadian rhythm by interacting with PSEUDO-RESPONSE REGULATOR proteins to facilitate their repressive effect on morning-phased clock genes的研究论文。该研究发现，锌指结构转录因子BBX18、BBX19从清晨到傍晚次序招募PRR9, PRR7, PRR5蛋白，在白天形成BBX19-PRRs转录复合体，直接抑制CCA1和RVE8等生物钟核心基因的表达进而维持近24小时节律，揭示了植物生物钟转录-翻译反馈环路中新的运行机制。

该研究发现，BBX (B-box) 转录因子第四亚家族的BBX18, BBX19与CCA1, LHY的表达具有较高的关联性，且转录本富集呈现近日节律性，峰值出现在上午；BBX19基因缺失突变体呈现出短于24小时的节律表型，而BBX18和BBX19表达量增多则引起长于24小时的节律表型。蛋白-蛋白间动态互作分析发现，BBX18与BBX19蛋白间可形成同源和异源二聚体，互作峰值在清晨；BBX18, BBX19分别与PRR9,7,5从清晨至傍晚依时间次序动态互作；BBX19,18-PRRs蛋白复合体主要定位于细胞核中。

利用RNA-seq转录组数据分析，发现受BBX19抑制的靶基因多集中在黎明前后表达，而受BBX19诱导的靶基因的转录本多在傍晚时段富集。利用雌二醇诱导型启动子驱动BBX19表达的转基因材料，对BBX19蛋白的靶基因的转录时间特异性进行分析，发现在夜间诱导BBX19高表达可显著抑制CCA1, LHY和RVE8等清晨基因的转录；而在prr7-3  prr9-1和prr5-1 prr7-3突变体中，BBX19对CCA1, LHY和RVE8转录抑制作用减弱。ChIP-qPCR的实验结果证实，PRR9,7,5介导了BBX19蛋白与CCA1, LHY和RVE8基因启动子区的结合。

锌指蛋白BBX 家族诸多成员参与到植物的光形态建成、庇荫反应及开花时间调控【6】。该研究绘制了生物钟的光信号响应曲线，发现BBX19基因缺失突变体中近日节律相位对红光及蓝光授时因子的响应能力与野生型中的一致。

生物钟BBX19-PRRs复合体抑制清晨基因转录的分子模型

综上所述，该研究发现锌指结构转录因子BBX18, 19参与植物近日节律的维持；BBX19按时间次序动态招募PRR9,7,5蛋白，形成的日间蛋白复合体直接抑制CCA1、LHY和RVE8在清晨时段的转录。该项成果揭示出植物生物钟精细的分子调控模型。

该项研究为河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室与中科院植物所共同协作完成，河南大学博士后袁力与植物所在读博士生于英俊为共同第一作者，河南大学徐小冬教授、中科院植物所王雷教授和河南大学谢启光教授为共同通讯作者，河南大学“黄河学者”特聘青年学者刘明明博士、河南大学在读研究生宋扬、李红民、孙军秋，河北师范大学毕业研究生王俏参与了该研究。该课题得到国家自然科学基金委、河北省自然科学基金重点项目及中国科学院战略先导研究计划项目的资助。

参考文献：

[1] C.R. McClung, The Plant Circadian Oscillator, Biology (Basel) 8(1) (2019) 14.

[2] Q. Xie, P. Wang, X. Liu, L. Yuan, L. Wang, C. Zhang, Y. Li, H. Xing, L. Zhi, Z. Yue, C. Zhao, C.R. McClung, X. Xu, LNK1 and LNK2 are transcriptional coactivators in the Arabidopsis circadian oscillator, Plant Cell 26(7) (2014) 2843-57.

[3] T. Mizuno, N. Nakamichi, Pseudo-Response Regulators (PRRs) or True Oscillator Components (TOCs), Plant Cell Physiol. 46 (2005) 677-685.

[4] L. Wang, J. Kim, D.E. Somers, Transcriptional corepressor TOPLESS complexes with pseudoresponse regulator proteins and histone deacetylases to regulate circadian transcription, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110 (2013) 761-766.

[5] Y. Zhang, A. Pfeiffer, J.M. Tepperman, J. Dalton-Roesler, P. Leivar, E. Gonzalez Grandio, P.H. Quail, Central clock components modulate plant shade avoidance by directly repressing transcriptional activation activity of PIF proteins, Proc Natl Acad Sci U S A 117(6) (2020) 3261-3269.

[6] Z. Song, Y. Bian, J. Liu, Y. Sun, D. Xu, B-box proteins: Pivotal players in light-mediated development in plants, J Integr Plant Biol 62(9) (2020) 1293-1309.

原文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koab133