ELF3通过抑制PIF4/PIF5介导的光信号通路调控拟南芥下胚轴向光性弯曲

本研究发现光周期核心组分ELF3（EARLY FLOWERING 3）作为新型负向调控因子，通过抑制PIF4/PIF5转录因子活性来抑制光下生长的拟南芥幼苗下胚轴向光性弯曲。研究揭示了该过程存在昼夜节律调控特性，并在单子叶植物 Brachypodium distachyon 中发现了物种特异性的调控模式，为植物光形态建成与生物钟互作机制提供了新见解。

　　

2.1 光下生长拟南芥幼苗向光性负调控因子的突变体筛选

为鉴定光下生长幼苗向光性弯曲的负调控因子，研究团队首先建立了野生型（Col-0）不弯曲而phyB-9突变体显著弯曲的筛选条件。通过对约27,000株EMS诱变的M2代幼苗进行大规模筛选，最终从126个种子池中鉴定出多个弯曲增强的突变株系。通过 hypocotyl 长度表型分析、Western blot 蛋白检测和基因测序验证，发现多个突变体涉及光敏色素和隐花色素信号通路缺陷，包括PHYA稳定性异常的phytochrome chromophore突变体、CRY1蛋白不表达的突变体、CRY1基因R525K点突变株、PHYB基因G1039R点突变株等。

2.2 ELF3无义突变导致向光性弯曲增强

重点突变体B111018在筛选条件下表现出显著增强的向光性弯曲（图1A），在单色红光下 hypocotyl 伸长（图1B），且叶片昼夜节律性运动完全紊乱（图1C）。基因测序发现该突变体ELF3基因第565位出现提前终止密码子（图1D），导致缺失C端核定位信号（NLS）。回交实验显示该突变性状呈隐性遗传，F2代符合孟德尔分离比（17/69）。Western blot 检测到截短型ELF3蛋白积累。该突变体与已知elf3-1、elf3-2突变体具有相似的表型特征，被鉴定为新的elf3无效等位基因。

2.3 ELF3和LUX通过PIF4/5调控向光性弯曲

通过对 Evening Complex 各组分的功能分析，发现elf3-2和lux-4突变体均表现出向光性弯曲增强，而elf4-101突变体表型不明显且不可重复。遗传上位性分析表明，elf3 pif4 pif5三突变体的弯曲表型回复到野生型水平，lux突变体的增强弯曲表型在pif4或pif5单突变背景中被抑制（图2）。这表明ELF3和LUX通过抑制PIF4/PIF5的活性来负向调控向光性弯曲。

2.4 拟南芥幼苗向光性弯曲存在昼夜节律调控

研究发现光下生长的野生型幼苗在持续光照条件下保持节律性弯曲能力，在第一个主观日中期（4-8小时）达到峰值，夜间降低，第二个主观日前再次升高（图3B）。这种节律在elf3突变体中完全消失，表明ELF3依赖的昼夜节律系统调控向光性弯曲潜力。该节律模式与已报道的马铃薯植株向光性节律相似，且在持续光照下逐渐衰减。

2.5 Brachypodium distachyon中elf3突变体的向光性表型

在单子叶模式植物 Brachypodium distachyon 中，elf3突变体表现出与拟南芥相反的表型——向光性弯曲减弱（图4A）。黑暗生长条件下的向光性弯曲在野生型和突变体间无差异（图4B），表明该表型特异性存在于光下生长幼苗。解剖学观察发现，Brachypodium 的向光性弯曲主要发生在coleoptile node和first node等部位（图4C,D），与拟南芥下胚轴弯曲的器官基础不同。研究提示PIFs在单子叶和双子叶植物中可能具有功能分化。

3 讨论

本研究通过正向遗传学筛选发现了ELF3作为光下生长幼苗向光性弯曲的新负调控因子。大多数候选突变体涉及phytochrome和cryptochrome信号通路缺陷，突显了这些通路在向光性调控中的核心地位。ELF3作为Evening Complex的关键组分，通过直接抑制PIF4/PIF5的转录活性和蛋白功能来调控向光性。研究发现向光性弯曲存在ELF3依赖的昼夜节律性，最大弯曲能力发生在主观日中期，与PIF4/5/7蛋白水平的昼夜波动一致。

在 Brachypodium distachyon 中的研究发现，elf3突变导致向光性弯曲减弱，这与拟南芥中的表型相反，可能反映了单子叶与双子叶植物在器官发育（节点 vs 下胚轴）和PIFs功能上的进化分化。该研究为理解植物光形态建成的物种特异性调控机制提供了重要线索。