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植物晝夜節律研究室
我們利用模式植物阿拉伯芥研究生理時鐘的分子機制，什麼是生理時鐘?它是由生物體內一群相互回饋調控的基因群組成的基因迴路，基因之間的回饋調控使得迴路中的基因產生約24小時週期的循環表現。植物藉由外界的日夜變化來同步生理時鐘基因循環的節律，節律建立後，植物便可依循生理時鐘的節律來控制其它的生物途徑與日夜變化同步，適應逢機多變的環境變化而不脫序。阿拉伯芥大部分的時鐘基因會抑制下游基因，下游基因則直接或間接地回饋抑制上游基因。或許你會疑惑當大家都扮演著負面調控的角色時，那麼迴路中的基因如何被活化? 科學家們利用簡單數學模式模擬生理時鐘的運行，例如一個基因迴路中有三個基因A、B、C，A抑制B，B抑制C，C抑制A (Figure 1a, Repressilator)，這樣的關係等同於A藉由抑制B來活化C，C藉由抑制A來活化B，B藉由抑制C來活化A (Figure 1a, Activator)，每個基因同時扮演著正向與負向的調控角色，於是基因表現量自動隨著時間而有震盪節律 (Figure 1b)。然而數學模擬迴路中的基因震盪往往有趨於終止的現象 (Figure 1b)，事實上生物體內的生理時鐘也的確如此，顯然單憑基因迴路的回饋調控並無法維持生理時鐘的恆定運行，外界24小時的日夜週期會在第二天將逐漸失序的時鐘基因重設，讓每個基因回到起始的表現量，將生理時鐘與外界週期再次同步。
Fig. 1. Concept illustration of a circadian clock. (a) Three repressors A, B, and C form a regulatory circuit by consecutively repressing downstream elements (Repressilator). Simultaneously, A, B, and C indirectly activate elements by repressing their repressors (Activator). (b) The mathematical modeling shows that A, B, and C in the repressilator (a) oscillate with the time.
我們實驗室有興趣的是上述的生理時鐘運行在植物中是如何被調控的?我們藉由分子遺傳與晝夜節律的分析策略尋找阿拉伯芥生理時鐘可能的調控因子，發現調控植物生長發育的重要因子BASIC PENTACYSTEINE (BPC)轉錄蛋白家族，其成員具有維持生理時鐘正常運行之功能，當我們分析BPC家族成員相關的突變體葉片運動的晝夜節律時 (Figure 2a,b)，發現bpc1,2 與bpc1,2,3 突變體之晝夜節律嚴重受損 (Figure 2c)。為深入探究BPC轉錄因子調節生理時鐘基因的機制，我們利用分子生物學構築了不同BPC家族成員誘導表現的轉殖阿拉伯芥，創造多種BPC基因失衡的情境來測試BPC對生理時鐘基因的影響。我們發現BPC家族成員間彼此相互調控形成了一個BPC特有的轉錄抑制網絡 (Figure 3，Repression network)，此網絡以負向調控的方式作用於生理時鐘，當BPC轉錄抑制網絡失衡時，將有多個時鐘基因轉錄同時受到不正常抑制而使生理時鐘運行遲滯而使植物晝夜生長受阻，顯示BPC網絡的平衡對維持生理時鐘運行的恆定相當重要。另一方面，我們也發現BPC轉錄抑制網絡同時作用於葉緣形態的調控轉錄因子 (Figure 3)，失衡的BPC網絡同樣抑制了葉緣發育的相關基因群而使葉緣產生皺縮形態，顯示BPC為生理時鐘與植物生長發育不可或缺的中樞調控因子，本實驗室正進一步研究此整合中樞參與不同途徑調控的分子機制。
Fig. 2. The circadian motion of bpc mutants was impeded. (a) A 2D image of an Arabidopsis (Col-0) seedling was used to constitute a 2.5D image by assigning pixel depth between the plant and the 3D binocular camera. The circadian motion of the plant base point of plant central (Pc) was picked up for calculating the elevation angle () of each plant pixel (Pn). (b) The circadian trajectory of the leaf tip can be seen when plant 2.5D images across five days are combined. (c) The circadian motion of 14-day-old seedlings of the wild-type (Col-0), bpc1-1 bpc2 (bpc1,2), or bpc1-1 bpc2 bpc3-1 (bpc1,2,3) was analyzed at the indicated time under the day-night cycle. Data are mean ± S.E. (n = 7-9). The data of Col-0 are duplicated in the charts for comparison. White and black bars indicate the day and night periods, respectively.
Fig. 3. Diagram depicting the repression machinery constituted by BPC members in Arabidopsis vegetative development
近年研究主題
近年研究主題
阿拉伯芥生物時鐘長距離整合之分子機制
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