The SHR-GAF1-SCL3 Regulatory Network for GA-mediated Hypocotyl Elongation in the Arabidopsis = 애기장대의 GA 매개 하배축 신장에 대한 SHR-GAF1-SCL3 조절 네트워크

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

SHORT-ROOT (SHR) is a GRAS transcription factor and a key regulator of plant development and growth. However, SHR lacks a canonical DNA-binding domain and therefore requires interaction with partner transcription factors. The INDETERMINATE DOMAIN (IDD; BIRD) family, which possesses both DNA-binding capability and SHR-specific interaction sites, is known to function as a transcriptional partner of SHR. Despite reduced shoot growth observed in shr mutants, studies of SHR function and its interactions with IDD proteins have primarily focused on root tissues.
Although previous studies have suggested a role for SHR in shoot tissues based on its involvement in etiolated hypocotyl elongation, the function of SHR in hypocotyls under light conditions remains unclear. Because hypocotyl elongation under light is strongly promoted by gibberellin (GA), this study focused on GAI-ASSOCIATED FACTOR1 (GAF1; IDD2). This IDD family member physically interacts with SHR and participates in GA signaling. Phenotypic analyses demonstrated that both SHR and GAF1 are required for GA-mediated hypocotyl elongation and that SHR functionally regulates GAF1. Transcriptome analysis identified SCARECROW-LIKE3 (SCL3) as a downstream target gene of the SHR–GAF1 module. Chromatin immunoprecipitation analysis revealed that the SHR-GAF1 complex directly binds to the SCL3 promoter and that GAF1 is essential for SHR recruitment to this region. Furthermore, genetic analyses confirmed that the SHR-GAF1-SCL3 regulatory network is indispensable for GA-mediated hypocotyl elongation.
Together, these results establish SHR as a critical regulator in shoot tissues and demonstrate its integrative role in GA signaling. Moreover, this study proposes a novel model for hypocotyl elongation in which GAF1 provides a DNA-binding domain to SHR, enabling direct transcriptional regulation of SCL3.

국문 초록 (Abstract)

SHORT-ROOT (SHR)는 GRAS 계열 전사 인자로서 식물의 발달과 생장을 조절하는 핵심 인자이다. 그러나 SHR은 정형적인 DNA 결합 도메인을 가지지 않기 때문에, 전사 조절 기능을 수행하기 위해서는 파트너 전사인자와의 상호작용이 필요하다. DNA 결합 능력과 SHR 특이적 상호작용 부위를 모두 지닌 INDETERMINATE DOMAIN (IDD; BIRD) 계열 전사인자들은 SHR의 전사 파트너로 알려져 있다. shr 돌연변이체에서 지상부 생장이 감소함에도 불구하고, 지금까지 SHR의 기능과 IDD 단백질과의 상호작용에 대한 연구는 주로 뿌리 조직에 초점을 맞추어 이루어져 왔다.
이전 연구들에서는 암조건 하에서의 하배축 신장에 관여하는 SHR의 역할을 통해 지상부 조직에서의 기능이 제시된 바 있으나, 광조건 하에서 하배축에서의 SHR 기능은 아직 명확히 규명되지 않았다. 광조건 하 하배축 신장은 식물호르몬 지베렐린(gibberellin, GA)에 의해 강하게 촉진되므로, 본 연구에서는 GA 신호전달에 관여하며 SHR과 물리적으로 상호작용하는 IDD 계열 전사인자인 GAI-ASSOCIATED FACTOR1 (GAF1; IDD2)에 주목하였다. 표현형 분석 결과, SHR과 GAF1은 모두 GA 매개 하배축 신장에 필수적이며, SHR이 GAF1의 기능을 조절함을 확인하였다. 전사체 분석을 통해 SCARECROW-LIKE3 (SCL3)가 SHR–GAF1 모듈의 하위 표적 유전자임을 규명하였다. 염색질 면역침강(ChIP) 분석 결과, SHR–GAF1 복합체가 SCL3 프로모터에 직접 결합하며, 이 과정에서 GAF1이 SHR의 해당 영역으로의 결합에 필수적임을 확인하였다. 또한 유전학적 분석을 통해 SHR–GAF1–SCL3 조절 네트워크가 GA 매개 하배축 신장에 필수적임을 입증하였다.
종합하면, 본 연구는 SHR이 지상부 조직에서 중요한 조절 인자로 기능함을 제시하며, GA 신호전달 경로에서 SHR의 통합적 역할을 규명하였다. 더 나아가, GAF1이 SHR에 DNA 결합 기능을 제공함으로써 SCL3의 직접적인 전사 조절을 가능하게 하는 하배축 신장에 대한 새로운 조절 모델을 제안한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ⅱ
• ABSTRACT ⅲ
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Materials and Methods 4
• 2.1 Plant Material and Growth Conditions 4
• 2.2 Hypocotyl Phenotype Analyses 5
• 2.3 RT-qPCR 5
• 2.4 Plasmid Construction and Plant Transformation 6
• 2.5 Transient expression assay 7
• 2.6 ChIP-qPCR Assays 8
• 2.7 Transcriptome analysis 9
• 2.8 Yeast two-hybrid assay (Y2H) 9
• 2.9 Bimolecular fluorescence complementation (BiFC) 10
• Chapter 3. Results 11
• 3.1 SHR Is Necessary for GA-mediated Hypocotyl Elongation 11
• 3.2 SHR and Its Interacting Partner GAF1 Are Involved in GA-mediated
• Hypocotyl Growth 12
• 3.3 The SHR-GAF1 Regulatory Module Regulates Expression of SCL3
• in the Hypocotyl 14
• 3.4 The SHR–GAF1–SCL3 Regulatory Network Is a New Model for GA-
• mediated Hypocotyl Elongation 15
• Chapter 4. Conclusion 17
• References 37
• Abstract (in Korean) 41