コケ植物Physcomitrella patensのフィトクローム相互作用因子は、光制御遺伝子の発現を制御しています

PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs in the moss Physcomitrella patens regulate light-controlled gene expression.

• Tengfei Xu
• Jinhong Yuan
• Andreas Hiltbrunner

抄録

フィトクロムは、植物に存在する赤色および遠赤色の光受容体であり、環境の変化に応じて成長や発育を制御している。光で活性化されたフィトクロムは核に入り、下流のシグナル伝達物質に作用して遺伝子発現を制御しています。PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIFs)は、転写因子の基本的ならせん-ループ-らせんファミリーに属し、光活性化された植物クロムに直接結合します。PIFの潜在的な相同体は、シダ類、蘚苔類、およびストレプト藻類において同定されており、Physcomitrella patens由来の潜在的なPIF相同体であるPIF1〜PIF4は、シロイヌナズナで発現した場合にPIF機能を有することが示されている。しかし、Physcomitrellaにおけるそれらの機能はまだ不明である。種子植物のPIFはG-boxを含むプロモーターに結合するため、PhyscomitrellaゲノムからG-boxをプロモーターに含む遺伝子を探索した。ここで、Physcomitrella PIFがこれらのプロモーターをG-box依存的に活性化することを示し、それらがPIFの直接の標的となり得ることを示唆した。さらに、Physcomitrella pif1、pif2、pif3およびpif4ノックアウト変異株を作製し、潜在的なPIF直接標的遺伝子の発現を定量した。これらの遺伝子の発現は、一般的に野生型に比べてpif変異体では低下したが、いくつかの遺伝子については、短光処理による相対的な誘導が野生型よりもpif変異体の方が高かった。一方、これらの遺伝子の発現は連続的な光の下では強く抑制され、暗闇ではpif変異体はこれらの遺伝子の部分的なダウンレギュレーションを示した。このように、光制御された遺伝子発現におけるPIFの全体的な機能は、PIFの古くからの性質である可能性がある。

Phytochromes are red and far-red light receptors in plants that control growth and development in response to changes in the environment. Light-activated phytochromes enter the nucleus and act on a set of downstream signalling components to regulate gene expression. PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs (PIFs) belong to the basic helix-loop-helix family of transcription factors and directly bind to light-activated phytochromes. Potential homologues of PIFs have been identified in ferns, bryophytes and streptophyte algae, and it has been shown that the potential PIF homologues from Physcomitrella patens, PIF1 to PIF4, have PIF function when expressed in Arabidopsis. However, their function in Physcomitrella is still unknown. Seed plant PIFs bind to G-box-containing promoters and, therefore, we searched the Physcomitrella genome for genes that contain G-boxes in their promoter. Here, we show that Physcomitrella PIFs activate these promoters in a G-box-dependent manner, suggesting that they could be direct PIF targets. Furthermore, we generated Physcomitrella pif1, pif2, pif3 and pif4 knock out mutant lines and quantified the expression of potential PIF direct target genes. The expression of these genes was generally reduced in pif mutants compared to the wildtype, but for several genes, the relative induction upon a short light treatment was higher in pif mutants than the wildtype. In contrast, expression of these genes was strongly repressed in continuous light, and pif mutants showed partial downregulation of these genes in the dark. Thus, the overall function of PIFs in light-regulated gene expression might be an ancient property of PIFs.

© 2020 The Authors. Physiologia Plantarum published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of Scandinavian Plant Physiology Society.