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生物体内存在着热激反应的防御机制。热激转录因子(Heat Shock transcriptionFactor,HSF)是热激反应和温度信号途径中的关键因子,它调控着基因组大量的热激基因和胁迫因子,参与了多种重要的生长发育过程。热激转录因子在动物中的热激反应以及发育的功能中研究得比较清楚。在高等植物中,目前根据Hsf的HR-A/B聚合区结构域的中间插入片段的氨基酸数目不同,存在A、B和C三类Hsf,但是对于这些Hsf在植物生长发育过程中的作用还知之甚少。本论文以模式植物水稻为实验材料,对多个A类的热激转录因子OsHsf的功能进行了研究。
水稻A类热激转录因子HsfA由12个成员组成。我们对OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2c、OsHsfA2d、OsHsfA3、OsHsfA4和OsHsfA5的组织表达分析表明,它们在各个组织都表达；在胁迫条件下,OsHsfA2c基因表达受高温和盐胁迫诱导最为明显；而在冷胁迫下,OsHsfA2b和OsHsfA3的表达量最高。因此,推测OsHsfA2c在水稻高温胁迫下起着重要的调控作用,而OsHsfA2b和OsHsfA3可能在水稻低温胁迫条件下起作用。酵母单杂交实验表明OsttsfA2b、OsHsfA2c、OsHsfA2d和OsHsfA5蛋白分别具有转录激活活性。
我们利用RNAi下调上述的七个水稻热激转录因子,转基因后代中没有发现异常表型,推测植物的Hsf员存在着功能上的冗余性。筛选OsHsfA1、OsHsfA2b、OsHsfA2c,OsHsfA2d、OsHsfA3、OsHsfA4a和OsHsfA5的过表达转基因株系并观察其表型,发现OsHsfA2b和OsHsfA3的过表达株系产生包括开花时间延迟和矮化等发育异常的表型。
进一步分析显示OsHsfA2b和OsHsfA3的过表达转基因株系在长、中日照条件下均晚花,OsHsfA2b的过表达转基因株系的晚花表型更明显；Western blot结果证明转基因株系的晚花和矮化程度与OsttsfA2b和OsHsfA3的蛋白表达量呈现正相关的关系。蛋白的亚细胞定位分析发现OsHsfA2b定位于细胞核中；而OsHsfA3定位于细胞质中,并且在超表达情况下能够进核造成质核定位。Hsf能与热激元件(Heat Shock Element,HSE)结合,它们的多数靶基因都具有HSE。对水稻开花基因的启动子区的序列分析发现,Ehd1、Hd1、Hd3a、FTL4和FTL7基因都有HSE。已有研究发现在长日照下,Hd1抑制开花,而Ehd1、Hd3a和RFT1促进开花。本研究表明,在OsHsfA2b的过表达转基因株系中,Hd1的表达量升高,而Ehd1、Hd3a和RFT1的表达受到抑制,暗示OsHsfA2b主要是通过调节Hd1,Ehd1、Hd3a和RFT1的表达来调控水稻的开花时间。然而,在OsHsfA3的过表达转基因株系中Hd1的表达量几乎不变,Ehd1的表达大大降低,OsHsfA3主要是通过调节Ehd1的表达来调控水稻的开花时间。说明OsHsfA2b和OsHsfA3调控开花的分子机理是不同的。
通常Hsf与热激蛋白的转录激活相关,在OsHsfA2b和OsHsfA3的过表达转基因株系中热激蛋白基因OsHsp16.9和OsHsp101的表达量显著升高。因此推测,OsHsfA2b和OsHsfA3不仅调控水稻的开花基因,还调控了热激蛋白的表达,延迟了水稻的开花,并使植物处于组成型的热激反应中。但是,在体内OsHsfA2b和OsHsfA3如何调控开花基因和热激蛋白来影响水稻的开花时间的机制还有待于进一步的探索。