叶绿体单线态氧信号新元件及其光适应生理机制研究

Singlet oxygen is a kind of important reactive oxygen species, and the chlorophyll precursor protochlorophyllide generate singlet oxygen under illumination. But its signaling pathway is obscure so far, however the chloroplast EXECUTER1 and EXECUTER2 protein are the only known receptors of singlet oxygen signaling. Our preliminary studies found that a variety of plastid signals converge at the chloroplast GUN1 protein. And the abscisic acid responsive transcription factor ABI4 and CBFA (a CCAAT-binding transcription factor) may be also involved in the singlet oxygen signaling pathway, and are perhaps the novel signaling components without deep exploring. This project would use high-light stress treatments, fluorescence imaging, gene chip, promoter analysis techniques, and will investigate the roles of GUN1, ABI4 and CBFA in the singlet oxygen signaling and their physiological significances. And the results will bring some useful information to the plant's adaptation to illumination changes. This project combines cellular signal transduction studies and physiologically photosynthetic researches, being of importance to researches about plant intracellular signal transduction, developmental regulation of the photosynthetic apparatus, photomorphogenesis and studies to molecular mechanism of light adaption.

单线态氧是一种重要的活性氧分子，叶绿素前体物质原叶绿素酸酯在光照下即可产生单线态氧。但它的信号通路还鲜有研究，目前只知道叶绿体EXECUTER1和EXECUTER2蛋白是单线态氧信号的重要感知元件。我们的初步研究发现多种叶绿体信号的整合点叶绿体GUN1蛋白，细胞核脱落酸响应转录元件ABI4和CCAAT结合转录因子家族成员CBFA可能也参与了单线态氧信号转导，它们或许是还未深入研究的单线态氧信号的新元件。该课题将结合高光胁迫、荧光成像、基因芯片、启动子分析等技术手段考察GUN1，ABI4和CBFA在单线态氧信号转导中的作用，以及单线态氧信号对于植物适应光照变化的生理意义。该课题将细胞器间信号转导与光合生理结合，对植物胞内信号转导、光合器官发育调控、光形态建成、光适应分子机理研究有重要参考价值。

高等植物在进化过程中进行有氧呼吸使得活性氧在叶绿体，线粒体，等细胞器中不断产生，过量的活性氧会超过活性氧清除系统的清理能力而对植物体产生毒害作用，但同时活性氧也是一种信号分子参与了大量的逆境途径，如病理防御信号，细胞凋亡过程，逆境胁迫反应等。单线态氧是一种重要的活性氧分子，叶绿素前体物质原叶绿素酸酯在光照下即可产生单线态氧。但它的信号通路还鲜有研究，目前只知道叶绿体EXECUTER1和EXECUTER2蛋白是单线态氧信号的重要感知元件。我们的初步研究发现多种叶绿体信号的整合点叶绿体GUN1蛋白，细胞核脱落酸响应转录元件ABI4和CCAAT结合转录因子家族成员CBFA可能也参与了单线态氧信号转导，它们或许是还未深入研究的单线态氧信号的新的叶绿体元件和胞质元件。.本课题通过杂交的方式构建了拟南芥flu/gun1和flu/abi4双突变体，外源单线态氧处理，单线态氧的关键响应基因DIL和ZP在突变体gun1、abi4以及flu/gun1和flu/abi4双突变体中的表达没有被诱导。高光照同时添加光合电子传递链的抑制剂DCMU，flu/gun1和flu/abi4双突变体受到的光氧化损伤弱于野生型，MDA和电导率较低，这说明GUN1和ABI4参与了单线态氧信号介导的高光照适应。转录组分析的结果表明：在约3700个基因中flu突变体和野生型相比表达上调2倍以上的基因有260个，flu/gun1双突变体和野生型相比有59个基因表达上调2倍以上，而在flu/abi4双突变体则只有18个基因表达上调2倍以上。这与ex1/flu双突变体和ex1/ex2/flu 三突变体与野生型比对的结果类似。这表明下游ABI4在单线态氧通路中的作用强于上游的GUN1，GUN1和ABI4均参与了单线态氧信号转导，是信号途径上的关键元件。高光照处理下，flu/gun1和flu/abi4双突变体比flu单突变体表现出低的活性氧积累，并且叶片叶绿素荧光，净光合速率均显著高于flu，双突变体的类囊体受损伤也低于flu。这进一步证明单线态氧信号的在植物光适应方面的重要作用。.我们的结果对单线态氧信号转导及光合作用调控有新的理论贡献，发现了单线态氧信号转导途径的新关键元件GUN1和ABI4，并阐释了启动子结合特性和上下游关系。对植物光适应、光调控和植物抗逆分子机理研究也有重要参考意义。