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植物的生长发育受到内源调控因子和外源环境因子的综合调控,具有极强的可塑性。其中,内源因子主要指生长素、细胞分裂素等激素,外源因子则主要包括重力、光照、水分等环境因素,而外在环境信号对植物生长发育的调控也主要是通过调节激素含量和信号来实现的。生长素作为最早被鉴定到的一类植物激素,在植物的可塑性生长发育过程中扮演着不可替代的角色。生长素不仅参与调控植物生长发育,也是介导植物响应周围环境变化的重要信号分子。Auxin Response Factor7（ARF7）是生长素信号通路中的一个重要调控因子,其介导的生长素信号不仅参与植物的重力响应,也密切影响侧根发育。AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID（AUX/IAA）19-ARF7介导的生长素信号调控拟南芥下胚轴的向性反应,包括向光性和向重力性生长反应,而IAA14-ARF7通过其下游基因如LATERAL ORGAN BOUND ARIES DOMAIN（LBD）家族基因,调控侧根的发生。因此,对ARF7功能的深入研究有助于进一步揭示生长素调控植物向性反应和侧根发育的分子机理。本文以模式植物拟南芥为实验材料,通过综合分子生物学、细胞生物学、遗传学等技术手段,探究ARF7调控的植物重力响应及侧根发育的分子机理。借助生长素报告基因DR5rev::GFP,我们发现arf7突变体中重力诱导的拟南芥下胚轴中的生长素信号梯度明显减弱,与arf7重力响应显著减弱的表型对应。DII-VENUS在响应生长素后迅速被降解,其信号的强弱可直接反应内源生长素水平。研究发现,arf7突变体中重力诱导的下胚轴上下两侧生长素浓度梯度明显减弱,说明ARF7除了介导生长素信号调控拟南芥下胚轴的重力响应,还有可能参与重力诱导的下胚轴两侧生长素浓度梯度的建立。生长素转运体PIN-formed3（PIN3）介导的生长素极性运输,在重力诱导的下胚轴上下两侧生长素浓度梯度的建立过程中发挥重要作用,因此我们进一步分析了 ARF7对生长素浓度梯度的影响是否依赖于PIN3。结果显示,PIN3的转录和重力诱导PIN3蛋白的极性转运都不受ARF7影响,说明ARF7调控生长素梯度的建立并非通过调控生长素极性运输实现的。结合生长素处理,我们对arf7和野生型的下胚轴进行转录组学分析,期望寻找受ARF7诱导且在下胚轴特异表达的基因,并从中成功筛选到一个编码甲酯酶的基因METHYL ESTERASE 17（MES17）。研究表明,MES17负责将植物体内没有活性的MeIAA转变为有活性的IAA。外源MeIAA处理结果显示,arf7与mes17突变体均对外源MeIAA不敏感,说明ARF7很可能通过调控MES17影响内源MeIAA的代谢,从而影响体内活性IAA的含量。此外,与arf7突变体类似,mes17突变体的重力响应也明显减弱,且重力诱导的拟南芥下胚轴上下两侧生长素浓度梯度也明显减弱,说明ARF7很可能通过调控MES17的表达影响重力诱导的生长素浓度梯度的建立及重力响应。遗传分析发现,在arf7中过表达MES17能够部分恢复其下胚轴的向重力性缺陷表型,说明MES17在调控下胚轴的向重力性反应中位于ARF7下游。进一步分析发现,ARF7能直接结合在MES17的启动子上,并激活其转录表达。MES17pro:GFP/GUS的表达分析显示,MES17主要在下胚轴中表达,并且受外源NAA显著诱导。然而,在arf7背景中,MES17的表达明显减弱,并且不再受NAA诱导。此外,结合重力处理,MES17pro:GFP/GUS的信号在下胚轴中呈现梯度分布状态,然而这种现象在arf7中消失,说明重力诱导的MES17差异表达受ARF7调控。综上,ARF7响应生长素后激活下游的MES17,通过MES17介导的生长素稳态的调控,参与重力诱导的生长素浓度梯度的建立及重力生长反应。重力诱导生长素经横向运输在近地一侧积累,我们发现当过量表达PID或用NPA抑制生长素的极性运输时,MES17的梯度表达便不再受重力诱导。综上,在拟南芥下胚轴中,重力诱导生长素通过极性运输在近地一侧富集,生长素浓度的升高会进一步激活ARF7,随后诱导MES17表达,加速MeIAA向IAA转化,最终放大了下胚轴近地侧和背地侧生长素浓度梯度,加速了下胚轴的弯曲生长。ARF7除了调控下胚轴的向性生长外,还可调控侧根发育。研究表明,ARF7及其下游基因,如LBDs,组成一个相对比较清晰的侧根发育信号通路。为了进一步阐明ARF7介导侧根发育的分子调控机制,我们再次以arf7和WT的根为材料,进行了转录组测序,以期寻找新的受ARF7调控的侧根发育调控因子。在众多候选基因中,我们选择了PATHOGENESIS-RELATED GENE1（PR1）的同源基因PR-1 Homolog（PRH1）,因为PRH1功能未知,且与PR1不同,PRH1并不响应SA,暗示着PRH1功能的独特性。通过分析RNA-seq数据,结合NCBI数据库中已发表的转录组数据,我们发现PRH1受NAA诱导,并且可能位于IAA14-ARF7信号通路下游。随后的组织定位结果显示,PRH1特异表达在侧根发生的位置,且该表达受外源NAA显著诱导,但是这种诱导现象在arf7突变体中却显著减弱,证明生长素通过ARF7激活PRH1,进而调控侧根发生。为了阐明PRH1在侧根发育中的作用,我们首先分析了 prh1的侧根表型,结果显示,PRH1的功能缺失使侧根原基的发育受阻,侧根突破表皮的数目也显著减少。此外,在arf7背景中过表达PRH1能够部分弥补arf7侧根缺陷的表型,说明PRH1位于ARF7的下游。鉴于PRH1受生长素诱导表达依赖于ARF7,我们再次结合酵母单杂交（Y1H）、瞬时转化、染色质免疫共沉淀（ChIP）等实验证实,ARF7可以直接结合在PRH1的启动子上并激活其转录。综上所述,PRH1作为ARF7的直接下游基因参与调控侧根的发育。LBD家族基因已被证实在ARF7调控侧根发育的过程中扮演着重要角色,因此,我们随后重点探究了PRH1与LBDs之间的关系。qRT-PCR结果显示,LBD16、LBD18和LBD29的功能缺失会使PRH1表达下调,然而在它们的过表达株系中PRH1的转录水平却显著上调,暗示着PRH1可能位于LBD16/18/29的下游。ChIP和瞬时转化实验均证实LBDs能直接转录调控PRH1,尤其是LBD29。在随后的遗传实验中,PRH1能够部分恢复lbd突变体侧根发育缺陷表型,再次证实PRH1位于LBDs的下游调控侧根发育。深入的机理研究发现,PRH1能够影响细胞壁重塑相关基因EXPANSINs（EXPs）的转录表达,从而影响侧根发育。综上所述,我们发现了一个新的参与调控侧根发育的基因—PRH1,系统的建立并完善了一条全新的生长素促进侧根发育的信号通路:ARF7-LBDs通过转录激活PRH1,随后影响下游EXPs基因的转录表达,实现对侧根发育的调控,这一结果加深了我们对侧根起始分子机制的理解。