Ca2+对H2S信号增强谷子耐受重金属铬胁迫过程的调控作用机制

Foxtail millet (Setaria italica) is an important crop in north China.Chromium (Cr6 +) is one of heavy metal pollution of soil in our country which impact on crop growth, development directly, and do harm to human health through food chain. How to reduce the harm of heavy metals and reduce their accumulation in crops is an important topic. But the reports on the deep mechanism is very limited..Hydrogen sulfide (H2S) is the third recognized gasotransmitter after NO and CO, and plays important physiological roles in plants. Our previous studies discovered that H2S treatment in physiological concentration could significantly increase the tolerance of millet seedlings to Cr6+, and reduced its accumulation in the plants..In addition, we found that the H2S function was regulated by Ca2+ signal. Based on our data and the existing literature, we hypothesized that Ca2+ ion can activate transcription factors TGA3,through CaM, thereby affecting the prodution of endogenous H2S. .The key link of this theoretical conject has been confirmed by gel shift assay: TGA3 can really bind in the the promoter region of LCD gene which encodes the enzyme producing endogenous H2S in plants..Based on this, we plan to carry out the systematicaly researches on the pathway, Ca2+→CaM→TGA3→H2S, on the level of molecular biology, cell biology and phenotype levels.This research may provide useful theoretical support to reduce the heavy metal hazards and its accumulation in the crops.

谷子（Setaria italica）是我国北方重要的粮食作物。土壤中重金属铬（Cr6+）污染会对谷子生产造成严重影响，并威胁人类健康。如何减轻这种危害并减少其在作物中的积累成为重要的研究课题，但目前深入的机制研究非常有限。.硫化氢（H2S）是继NO和CO之后第三种气体信号分子。前期试验证实，生理浓度H2S处理可以显著提高谷子幼苗对Cr6+的耐受性，并显著减少其在植物体内的积累。而且这种生理作用的发挥受到的Ca2+的调节。结合已有文献，我们推测其作用机制可能是Ca2+通过CaM蛋白激活TGA3转录因子,以调节H2S生成。这一推测的关键环节得到实验证实：TGA3转录因子确实可以与内源H2S合成酶编码基因启动子特异性结合。.基于此，本项目就Ca2+→CaM→TGA3→H2S这一通路各个环节，从分子、细胞以及表型水平进行系统研究，为减轻重金属对作物的危害、减少其在作物中积累提供有益的理论支撑。

硫化氢是目前已明确的气体信号分子。近年来，耕地HMs污染不仅影响作物的生长发育，加强植物应答HMs胁迫机制的研究势在必行。本论文主要研究气体信号分子H2S与钙信号在谷子抵御Cr6+胁迫过程中的互作机制。结果如下：.1. Cr6+胁迫通过上调H2S产生酶编码基因（LCD、DCD1、DCD2、DES1）的表达激活谷子（Setaria italica）内源H2S的产生；生理浓度外源H2S能降低胁迫过程中H2O2的积累，缓解Cr6+胁迫引起的氧化损伤以及根尖细胞死亡，增强谷子对Cr6+胁迫的抗性，H2S合成抑制剂 HA处理加重Cr6+胁迫的毒害效应。.2. Cr6+胁迫对谷子H2S产率的诱导效应被Ca2+加强，被Ca2+螯合剂EGTA削弱；进一步研究发现，Cr6+胁迫诱导胞内Ca2+浓度升高，激活钙信号，增强H2S产生相关基因的表达，促进内源H2S产生，而H2S进一步影响CaM和CBL的表达参与钙信号共同完成抗性的诱导。.3. H2S和Ca2+通过复杂的互作调控HMs转运相关基因的表达，控制Cr6+的吸收和转运，促进Cr6+的排出和区室化，减少有毒离子在谷子体内的积累；Ca2+以H2S依赖的方式增强MT3A和PCS1的表达，促进MTs和PCs的积累对Cr6+进行螯合解毒；H2S促进抗氧化分子GSH和AsA的积累缓解Cr6+胁迫引起的氧化损伤，Ca2+提高抗氧化酶SOD和POD的活性，并且以H2S依赖或不依赖的方式提高GSH和AsA的含量，维持氧化还原的平衡。.4. CaM2介导的钙信号参与Cr6+胁迫对LCD的转录调控，Cr6+胁迫提高CaM2的转录和翻译水平，促进Ca2+/CaM2与转录因子TGA3的互作，进而增强TGA3与LCD启动子结合，上调LCD的基因表达，增加H2S的释放。.5. H2S-Cys信号协同增强GSH的产生，GSH一方面作为抗氧化剂抵御Cr6+胁迫引起的氧化胁迫，另一方面作为前体促进植物HMs螯合剂的合成，对毒害离子进行螯合解毒。.综上，一方面，H2S和Ca2+通过复杂的交叉互作协同调控抗氧化系统、金属离子转运系统以及重金属螯合系统参与谷子抵御Cr6+胁迫；另一方面，H2S作为信号分子上调Cys合成基因的表达，促进Cys积累，增加GSH的合成，同时H2S和Cys促进HMs螯合剂PCs和MTs的积累，提高谷子对Cr6+胁迫的抗性。