Phytochromes are red and far-red light photoreceptors that regulate various aspects of plant development including seed germination, seedling photomorphogenesis, and shade avoidance. Phytochromes regulate light responses partly by inhibiting phytochrome-interacting factors (PIFs), a set of bHLH transcription factors that negatively regulate various light responses. When 4 negative phytochrome-interacting protein genes (PIF3, PIF4, PIL5, and PIL6) were mutated, the resulting quadruple mutant seedlings displayed constitutive photomorphogenic phenotypes, including short hypocotyls, and open cotyledons in the dark. Microarray analysis further confirmed that the dark-grown quadruple mutant has a gene expression pattern similar to that of red light-grown wild-type. Together, my data indicate that 4 phytochrome-interacting proteins are required for skotomorphogenesis and phytochromes activate photomorphogenesis by inhibiting these factors.
One of the less understood roles of phytochromes is the inhibition of hypocotyl negative gravitropism, which refers to the loss of hypocotyl gravitropism and resulting random growth direction in red or far-red light. This light response allows seedlings to curve toward blue light after emergence from the soil and enhances seedling establishment in the presence of mulch. Phytochromes inhibit hypocotyl negative gravitropism by inhibiting four phytochrome-interacting factors (PIF3, PIF4, PIL5, PIL6) as shown by hypocotyl agravitropism of dark-grown pif1 pif3 pif4 pif5 quadruple mutants. I show that phytochromes inhibit negative gra-vitropism by converting starch-filled gravity-sensing endodermal amyloplasts to other plastids with chloroplastic or etioplastic features in red or far-red light, whereas PIFs promote negative gravitropism by activating the development of endodermal amyloplasts in the dark. By analyzing transgenic plants expressing PIF1 with an endodermis-specific SCARECROW promoter, I further show that endodermal PIF1 is sufficient to restore the development of endodermal amyloplasts and hypocotyl negative gravitropism of the pif quadruple mutant in the dark. Although the functions of phytochromes in gravitropism and chloroplast development are normally considered distinct, my results indicate that these two functions are closely related.
식물에게 있어 빛은 씨 발아 조절에서부터 개화 시기 조절에 이르기까지 전체 생장 주기에 중요하게 작용하는 환경 자극이다. 애기장대(Arabidopsis thaliana)는 빛 신호를 받아들이는 여러 광수용체를 가지고 있는데, 이 중 red/far-red 빛을 인지하는 파이토크롬은 광 형태 형성을 억제하고 있는 PIF 단백질들의 분해를 유도함으로써 빛 신호를 전달한다. PIF 단백질은 애기장대의 bHLH family에 속하는 전사 조절인자로서, PIF3, PIF4, PIL5, PIL6 등 구조적으로 많은 단백질들이 homology를 보이고 있다.
본 연구에서는, PIF3를 포함한 네 개의 PIF 단백질들이 애기장대의 묘종 발달에 어떠한 상호관계를 가지는지 조사해 보았다. 네 개의 PIF들은 광 신호전달에 있어서 모두 negative하게 작용하는데, 하배축의 생장 조절, 엽록소의 생합성, 떡잎의 벌어짐, 그리고 하배축의 음굴지성에 있어서 상호 redundant하게 작용함을 알 수 있었다. 하지만, 씨의 발아를 조절하는 경우에는 PIL5단백질이 단독적으로 작용함을 알았고, 식물 성체에서 PIFs의 역할은 거의 없는 것으로 드러났다. 따라서, 네 개의 단백질이 모두 제거된 pif3pif4pil5pil6 quadruple 돌연변이체의 경우, 어린 묘종 상태에서, 빛이 없는 조건에서도 마치 빛이 있는 것처럼 인식하고 자라는 constitutively photomorphogenic (cop)한 형질을 보였다. 이러한 형질은 microarray 분석을 통해 확인해 본 결과 전체 transcriptome 수준에서 많은 부분에 있어 빛 조건에서 기른 야생형과 겹쳐지는 유전자 발현 양상을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한, PIF들은 주로 광합성에 관련된 유전자들의 발현을 억제하면서 식물의 광 형태형성을 저해하고 있었다.
빛에 의한 하배축의 음굴지성 조절은 여러 빛 반응 중 그 메커니즘이 가장 적게 연구가 된 형질이다. 빛이 없는 조건에서 식물의 하배축은 중력방향에 반대방향으로 길이 생장을 하는데, 이는 내피층 속의 녹말입자로 가득 찬 아밀로플라스트가 중력을 인지함으로써 일어나는 현상이다. 여기서, pifQ 돌연변이체의 경우, 내피층 속의 아밀로플라스트가 마치 엽록체의 전구체인 etioplast의 형태로 변환이 되어 있고 녹말 입자의 크기가 줄어들어 중력방향을 잘 인식하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 PIF 단백질들은 내피층의 아밀로플라스트의 발달에 영향을 주어 음 굴지성을 조절하는 것을 알 수 있었다. 나아가, 내피층 특이적으로 PIF1 유전자를 발현시킬 경우 pifQ 돌연변이체의 음 굴지성이 완전히 회복되는 것으로 보아, PIF는 조직 특이적으로 형태 형성을 조절하고 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 음 굴지성의 조절은 서로 별개의 과정이라고 생각되던 엽록체의 발달과정과 매우 밀접한 관련이 있음을 이야기한다.
