ELF3
| WCZESNE KWITNIENIE 3 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identyfikatory | |||||||
| Organizm | |||||||
| Symbol | ELF3 | ||||||
| Alt. symbolika | PYK20 | ||||||
| Entrez | 817134 | ||||||
| RefSeq (mRNA) | NM_128153.3 | ||||||
| RefSeq (Prot) | NP_180164.1 | ||||||
| UniProt | O82804 | ||||||
| Inne dane | |||||||
| Chromosom | 2: 11.06 - 11.06 Mb | ||||||
| |||||||
EARLY FLOWERING 3 ( ELF3 ) to specyficzny dla rośliny gen, który koduje glikoproteinę bogatą w hydroksyprolinę i jest niezbędny do funkcjonowania zegara okołodobowego . ELF3 jest jednym z trzech składników składających się na kompleks wieczorny (EC) w ramach zegara okołodobowego rośliny, w którym wszystkie trzy składniki osiągają szczytową ekspresję genów i poziomy białka o zmierzchu. ELF3 służy jako rusztowanie do wiązania EARLY FLOWERING 4 (ELF4) i LUX ARRHYTHMO ( LUX ), dwóch innych składników EC, i działa w celu kontrolowania fotoperiodycznej wrażliwości roślin. ELF3 odgrywa również ważną rolę w dopływie temperatury i światła do roślin w celu pobudzenia zegara dobowego . Dodatkowo odgrywa role w sygnalizacji świetlnej i temperaturowej, które są niezależne od jego roli w EC.
Odkrycie
Wraz z ELF1 i ELF2 , ELF3 został po raz pierwszy zidentyfikowany przez zespół badawczy składający się z Michelle T. Zagotta, S. Shannon, Carolyn I. Jacobs i D. Ry Meeks-Wagner. Ich badanie z 1992 roku, opublikowane w Functional Plant Biology, dotyczyło mutantów Arabidopsis thaliana doświadczających zmienionego kwitnienia. U Arabidopsis przejście od wzrostu wegetatywnego do kwiatowego jest inicjowane przez sygnały kwiatowe w wierzchołku pędu, które regulują aktywność merystemu pędu, a ich badania miały na celu zidentyfikowanie odpowiednich składników genetycznych tego procesu poprzez wyizolowanie wcześnie kwitnących mutantów. Ta procedura doprowadziła naukowców do odkrycia wcześnie kwitnącej, niewrażliwej na światło Arabidopsis , którą nazwano elf3 , a także wcześnie kwitnących, wrażliwych na światło mutantów nazwanych elf1 i elf2 .
Członkowie zespołu badawczego odpowiedzialnego za odkrycie ELF3 opublikowali następnie artykuł z 1996 roku w The Plant Journal , który zawierał szczegółowe informacje na temat natury ELF3. Autorzy stwierdzili, że elf3 na chromosomie 2 znajdowała się w nowym locus genetycznym. Co więcej, odkryli, że elf3 były mniej wrażliwe na światło o wszystkich długościach fal, co sugeruje, że ELF3 regulował kwitnienie poprzez alternatywną ścieżkę fotorecepcyjną.
Struktura
| Arabidopsis thaliana ELF3 | |
|---|---|
| Gen | |
| Liczba eksonów | 4 |
| Rozmiar | 4,38 kb |
| Umiejscowienie | AT2G25930 |
| mRNA | |
| Liczba intronów | 2747 p.n.e |
| Białko | |
| Waga molekularna | 77,5 kDa |
| Liczba Pi | 8.68 |
| Liczba aminokwasów | 695 |
| Lokalizacja w Arabidopsis | |
| Chromosom | 2 |
| Współrzędne | 11058944 - 11063324 pz |
| Orientacja | do przodu |
| Identyfikatory | |
| Organizm | Arabidopsis thaliana |
| Symbol | ELF3 |
| Symbole alternatywne | PYK20, Wczesne kwitnienie 3 |
| Entrez | 817134 |
| RefSeq (mRNA) | NM_128153.3 |
| RefSeq (białko) | NP_180164.1 |
| UniProt | O82804 |
U Arabidopsis thaliana gen ELF3 znajduje się na drugim chromosomie i zawiera cztery eksony i trzy introny . Element regulatorowy cis znany jako element wieczorny (EE, AAAATATCT) jest obecny w promotorach innych genów kompleksu wieczornego, LUX i ELF4 . EE służy jako miejsce wiązania dla czynników zegara porannego CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 ( CCA1 ) i LATE ELONGATE HYPOCOTYL ( LHY ), aby specyficznie hamować transkrypcję wieczornych genów zegara. Promotor ELF3 nie zawiera EE; zamiast tego ma element podobny do EE (AATATCT) i dwa miejsca wiązania CCA1, które pozwalają CCA1 tłumić ekspresję ELF3 rano.
Gen ELF3 koduje nowe, zlokalizowane w jądrze białko o długości 695 aminokwasów . Zawiera region kwaśny (reszty 206-320) na N-końcu, region bogaty w prolinę (440-540) w środkowym segmencie sekwencji peptydowej oraz region bogaty w glutaminę/treoninę (544-653) w jego C-końca. Pomimo tych znanych cech, dla ELF3 zidentyfikowano tylko jedną domenę o znanej funkcji. Przypuszczalna domena podobna do prionów, która znajduje się w wewnętrznie nieuporządkowanych regionach białek, została przewidziana przy resztach aminokwasowych 430–609. Ta domena podobna do prionu jest wymagana do rozdziału fazy białkowej ELF3 i tworzenia plamek jądrowych . Zawiera również sekwencję bogatą w glutaminę (poliQ), która może być odpowiedzialna za wrażliwość na temperaturę ELF3. Oprócz tej domeny podobnej do prionów, wszelkie inne domeny funkcjonalne, które może zawierać białko ELF3, nie zostały jeszcze zidentyfikowane. Bogate w prolinę, kwaśne i glutaminianowe / treoninowe regiony są cechami, które są często kojarzone z regulatorami transkrypcji, ale ELF3 nie ma domeny wiążącej DNA , co sprawia, że jest mało prawdopodobne, aby samodzielnie wiązał i regulował DNA. Jednak przypuszcza się, że te cechy pozwalają ELF3 regulować transkrypcję w porozumieniu z LUX i ELF4 jako częścią EC.
Wiadomo, że ELF3 jest ośrodkiem interakcji białko-białko, a regiony peptydu ELF3 odpowiedzialne za te interakcje zostały zidentyfikowane dla niektórych jego partnerów wiążących. ELF3 wykorzystuje swój N-końcowy region do asocjacji z KONSTYTUTYWNYM FOTOMORPHOGENICZNYM 1 (COP1) i GIGANTEA (GI) (reszty 1–261), jak również z PHYTOCHROMEM B ( PHYB ) (reszty 1–440). Środkowy region ELF3 (reszty 261–484) jest wymagany do interakcji z ELF4, a region C-końcowy (reszty 442–695) jest wymagany, aby ELF3 związał się z CZYNNIKIEM INTERAKCJI Z FITOCHROMEM 4 (PIF4). Domena odpowiedzialna za interakcję ELF3 z LUX nie została przetestowana.
Funkcjonować
Oscylator okołodobowy
W organizmach żywych oscylatory okołodobowe to cykliczne procesy biochemiczne, które wytwarzają rytmy dobowe. U Arabidopsis ELF3, ELF4 i LUX tworzą zespół wieczorny, czyli EC, który reguluje rytm dobowy we wzroście i rozwoju roślin. Kompleks wieczorny działa w połączeniu z kompleksem porannym , tworząc okołodobowy oscylator represylator Arabidopsis . W ciągu dnia CCA1 i LHY, czynniki transkrypcyjne kompleksu poranka, regulują transkrypcję białek kompleksu wieczornego, wiążąc się z obszarami regulatorowymi elementu wieczornego, promotorami genów kompleksu wieczornego. W rezultacie kompleks wieczorny osiąga szczyt aktywności o zmierzchu, kiedy to ELF3, ELF4 i LUX osiągają szczyt ekspresji.
W nocy EC jest odpowiedzialna za tłumienie między innymi genów TIMING OF CAB EXPRESSION 1 ( TOC1 ) , GI i południowych genów PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 i 9 (PRR7 i 9) . Podczas gdy białka TOC1 i PRR są tłumione w ciągu dnia przez CCA1 i LHY, ich ekspresja osiąga szczyt o zmierzchu, tłumiąc poranne białka złożone. EC stopniowo hamuje białka TOC1 i PRR przez całą noc, pośrednio promując CCA1 i LHY aż do szczytu o świcie, promując poranną aktywność złożoną i hamując aktywność złożoną wieczorem. EC tłumi również LUX i ELF4 , automatycznie regulując własną transkrypcję.
Hamowanie GI w nocy powoduje zmniejszoną ekspresję genów promujących kwitnienie CONSTANS (CO) i FLOWERING LOCUS T (FT) . Kompleks wieczorowy jest również odpowiedzialny za tłumienie transkrypcyjnych czynników wzrostu FACTOR ODDZIAŁYWAJĄCY NA PHYTOCHROM 4 ( PIF4 ) i PIF5. Składniki EC, w tym ELF3 i LUX, oddziałują z PIF4 i PIF5, hamując wzrost w nocy.
Ponieważ ELF3 jest niezbędny dla rytmiki okołodobowej, utrata funkcji ELF3 u Arabidopsis powoduje arytmię zegara, co widać na podstawie obserwacji wyników, takich jak ruch liści i ekspresja genu zegara w stałych warunkach.
Regulacja wydłużenia hipokotylu
ELF3 jest negatywnym regulatorem długości łodygi siewki, znanym jako wydłużenie hipokotylu . EC hamuje wydłużanie hipokotylu poprzez hamowanie wieczorem ekspresji czynników wzrostu PIF4 i PIF5. W podwyższonych temperaturach nasila się zależna od COP1 degradacja ELF3, co umożliwia ekspresję genów, takich jak PIF4 i PIF5, promując wydłużenie hipokotylu w sadzonkach. Niezależnie od kompleksu wieczornego, ELF3 bezpośrednio oddziałuje z białkiem PIF4, aby uniemożliwić mu aktywację jego dalszych celów genowych, co w przypadku aktywacji doprowadziłoby do wzrostu wydłużenia. ELF3 hamuje również wydłużanie hipokotylu podczas odpowiedzi unikania cienia. Podobnie jak jego interakcja z PIF4, w zacienionych warunkach, ELF3 wiąże się i sekwestruje aktywator transkrypcji PIF7, zapobiegając aktywacji dalszych genów promujących wzrost.
Mutacje w ELF3 u Arabidopsis sprzyjają wzrostowi długich hipokotylów. Wady utrzymują się zarówno w warunkach światła czerwonego, jak i niebieskiego, chociaż są mniej dotkliwe, gdy rośliny rosną w stałym świetle białym. Badania wykazały, że mutacje ELF3 mają addytywny wpływ na wydłużenie hipokotylu (w interakcji z mutacjami phyB ).
Integracja sygnału temperatury
EC jest odpowiedzialna za integrację wejść temperaturowych z zegarem okołodobowym poprzez regulację ekspresji obu genów zegara rdzenia, takich jak PRR7/9 , LUX i GI , oraz wyjść zegara, takich jak gen PIF4 , który kontroluje wydłużanie hipokotylu. W ramach EC asocjacja ELF3 z promotorami PRR9 , LUX i PIF4 jest mniej stabilna w wysokich temperaturach, co wskazuje, że dane temperaturowe mogą bezpośrednio kontrolować rekrutację kompleksu wieczornego do promotorów. W sadzonkach Arabidopsis przesuniętych do cieplejszych temperatur (z 22 ℃ do 28 ℃ lub z 16 ℃ do 22 ℃), ELF3 był wymagany do regulacji ekspresji GI, LUX, PIF4, PRR7 i PRR9.
Transdukcja sygnału świetlnego
Białko ELF3 jest również składnikiem kompleksu sygnalizacyjnego PHYB do kontrolowania wydłużania hipokotylu . PHYB to białko, które pośredniczy w reakcjach rośliny na ciągłe światło czerwone. Jednak ELF3 i PHYB działają na niezależne szlaki transdukcji sygnału, pośrednicząc w kwitnieniu roślin. Sugeruje się, że ELF3 jest w stanie regulować fotoperiodyczną indukcję kwitnienia poprzez interakcję z kryptochromem lub innymi receptorami światła niebieskiego, takimi jak ZEITLUPE (ZTL) i FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1 (FKF1) u Arabidopsis thaliana .
Regulacja czasu kwitnienia
Arabidopsis dnia długiego ELF3 jest kluczowym inhibitorem fotoperiodycznego kwitnienia, gdy rośliny są uprawiane w nieindukcyjnych warunkach środowiskowych. EC tłumi ekspresję GI , pozytywnego regulatora kwitnienia, we wczesnej nocy, wiążąc się z promotorem GI i zapobiegając jego aktywacji. Niezależnie od kompleksu EC, ELF3 reguluje również akumulację białka GI.
Mutacje w ELF3 powodują, że rośliny tracą wrażliwość na fotoperiod i regulację okołodobową. Rośliny z elf3 kwitną wcześnie w warunkach długiego i krótkiego dnia na tym samym etapie rozwoju, niezależnie od fotoperiodu. Mutacje elf3 powodują również, że rośliny nie reagują tak dobrze na niektóre długości fal światła, zwłaszcza na światło niebieskie i zielone. Jednak elf3 zachowują funkcjonalne szlaki, w których pośredniczą fitochromy, które regulują kwitnienie roślin.
Regulacja starzenia się roślin
Mutacje w ELF3 były również związane z szybkością starzenia się roślin lub starzeniem się roślin , poprzez hamowanie EC PIF4 i PIF5 . Zapobiega to procesowi żółknięcia liści, który jest wskaźnikiem starzenia się roślin. U roślin z ELF3 żółknięcie liści następowało szybciej niż u roślin typu dzikiego. Jednak ścieżka regulacji ELF3 dla starzenia się nie została w pełni ustalona.
homologi
ELF3 zidentyfikowano w całej linii roślin w podstawowych roślinach lądowych, takich jak mchy, jak również w roślinach okrytonasiennych , zarówno u gatunków jednoliściennych , jak i dwuliściennych .
Ortologi okrytozalążkowe
Soja ( Glycine max ) ma w swoim genomie dwa ortologi ELF3 . Jeden z tych dwóch paralogów , GmELF3, bierze udział w regulacji fotoperiodycznego kwitnienia. Niedawno zidentyfikowano GmELF3 jako odpowiedzialnego za cechę długiego dojrzewania w niektórych odmianach soi, co pozwala na jej uprawę w tropikach i innych obszarach o niskich szerokościach geograficznych. W przeciwieństwie do roślin fakultatywnych dnia długiego, takich jak Arabidopsis lub jęczmień, u roślin fakultatywnych dnia krótkiego (roślin rozmnażających się w odpowiedzi na krótkie dni i długie noce) ELF3 wydaje się promować przejście od wzrostu wegetatywnego do wzrostu reprodukcyjnego. Mutacje w GmELF3 opóźniają kwitnienie, umożliwiając roślinom soi wzrost w krótkich dniach w regionach o niskich szerokościach geograficznych i nadal wytwarzając plony o rozsądnej wielkości.
W ryżu ( Oryza sativa ) ortolog ELF3 OsELF3 jest wymagany do silnej oscylacji okołodobowej i bierze udział w fotoperiodycznej regulacji kwitnienia.
Jęczmień ( Hordeum vulgare ) ma ortolog ELF3 , który jest również niezbędny do oscylacji okołodobowych i reguluje fotoperiodyczne kwitnienie, powstrzymując przejście od rozwoju wegetatywnego do reprodukcyjnego w krótkich dniach. Oprócz fenotypu arytmii i wczesnego kwitnienia, utrata elf3 w jęczmieniu powoduje, że rośliny uprawiane w warunkach długiego dnia jeszcze szybciej osiągają dojrzałość reprodukcyjną w odpowiedzi na podwyższone temperatury (15 ° C do 25 ° C). W krótkich dniach ten sam wzrost temperatury hamował wczesny/młodzieńczy rozwój. Sugeruje to, że ortolog HvELF3 jest również zaangażowany w percepcję temperatury i rozwój zależny od temperatury. Specyficzne odmiany jęczmienia z mutacjami w HvELF3 zostały opracowane w celu tolerowania wyjątkowo krótkich sezonów wegetacyjnych i długich dni w regionach położonych na dużych szerokościach geograficznych, takich jak Skandynawia.
Inne homologi
mchu Physcomitrella patens znaleziono wiele homologów ELF3 , ale obecnie nie wiadomo, czy którykolwiek z tych paralogów PpELF3 ma zachowaną funkcję w regulacji okołodobowej lub fotoperiodycznej regulacji rozmnażania.
Żaden homolog ELF3 nie został znaleziony ani w Chlamydomonas reinhardtii, ani w Ostreococcus tauri , dwóch reprezentatywnych gatunkach zielonych alg , organizmach uważanych za ewolucyjnych przodków roślin lądowych.