拟南芥钙信号感受盐胁迫的分子机制研究

Salinity is a major abiotic stress in plant affecting a many part of world. This has led to research into salt tolerance with the aim of improving crop plants. As we known, Ca2+-signaling pathways can regulate gene expression in plants. Upon environmental stimuli, calcium ions are released from intracellular storage compartments as well as from extracellular space, leading to an increase of cytosolic free Ca2+ concentration ([Ca2+]i) by opening Ca2+ channel. Plasma membrane Ca2+ channels play a critical role in a variety of cellular processes by regulating [Ca2+]i. Increase in [Ca2+]i has been observed in many stress-activated signaling pathways. However, the mechanism of how plants sense these environmental stresses and thereby initiate the [Ca2+]i increase still remains unknown. We use Arabidopsis thaliana constitutively expressing Ca2+ sensitive photoprotein APOAEQUORIN to study the mechanisms of perceive pathway by salt stress. Trying to find the salt senser and salt-induced Ca2+ channel via screen EMS mutants with defects in early calcium signalling in response to salt stress in Arabidopsis thaliana. We got two mutants named sic1 and sic2（defect in salt-induced calcium increase）. Calcium fluorescence image show the [Ca2+]i fluorescence phenotype of sic1 and sic2 with an obvious attenuated under salt stress. We evaluated the salt sensitivity of the sic1 and sic2 are more sensitive to NaCl stress than wild type under salt stress conditions. Based on these results, trying to clarify the molecular mechanism of calcium signal perceive salt stress in Arabidopsis thaliana. Laid the theoretical basis for further study the pathway that plant resistance to salt stress.

植物生长过程中，盐胁迫作为主要的非生物胁迫，影响着地球上大多数植物的生存。研究植物对盐胁迫的耐受并以此改良农作物极其重要。外界环境的刺激通过钙信号途径可以调节基因的表达。钙信号的产生是钙离子通过膜上的钙离子通道，从细胞的外部空间及细胞内部的存储单位释放到细胞质基质中，导致细胞质基质中钙离子浓度增加。膜上的钙离子通道可调节细胞质基质中自由钙离子浓度。在很多胁迫激活的信号途径中，都可发现细胞质基质中钙离子浓度的升高。然而，植物是如何感受这些环境胁迫，并且因此导致细胞质基质中钙离子升高的机制至今还不清楚。本研究通过使用在拟南芥里稳定表达对钙离子敏感的水母发光蛋白，利用盐胁迫对感受器感受途径的作用机制进行研究。通过筛选拟南芥中在盐胁迫条件下缺失早期钙信号响应的EMS诱变突变体sic1和sic2，试图发现植物细胞中盐的感受器或被盐特异性诱导的钙离子通道，为进一步研究植物的抗盐胁迫途径奠定了理论基础。

植物生长过程中，盐胁迫作为主要的非生物胁迫，影响着地球上大多数植物的生存。研究植物对盐胁迫的耐受并以此改良农作物极其重要。外界环境的刺激通过钙信号途径可以调节基因的表达。钙信号的产生是钙离子通过膜上的钙离子通道，从细胞的外部空间及细胞内部的存储单位释放到细胞质基质中，导致细胞质基质中钙离子浓度增加。膜上的钙离子通道可调节细胞质基质中自由钙离子浓度。在很多胁迫激活的信号途径中，都可发现细胞质基质中钙离子浓度的升高。然而，植物是如何感受这些环境胁迫，并且因此导致细胞质基质中钙离子升高的机制至今还不清楚。本研究通过使用在拟南芥里稳定表达对钙离子敏感的水母发光蛋白，利用盐胁迫对感受器感受途径的作用机制进行研究。通过筛选拟南芥中在盐胁迫条件下缺失早期钙信号响应的EMS诱变突变体sic，试图发现植物细胞中盐的感受器或被盐特异性诱导的钙离子通道。研究过程中，我们发现sic1突变体在细胞钙信号传导中对盐胁迫具有特异性，通过图位克隆我们得到了该突变体突变位点，克隆基因并进行了生物信息学分析，发现其蛋白具有5个跨膜结构域。通过基因互补实验以及超表达实验分析，互补株系以及超表达株系的钙信号又恢复正常。利用FERT方法，同样发现了sic1突变体中钙信号传递过程丢失。对SIC1基因的组织定位和亚细胞定位进行了分析，其主要表达在幼苗的根和子叶中，在细胞内定位于高尔基体。分析突变体在盐胁迫下的根长及鲜重等生理表型，发现其生长状态明显弱于野生型，在互补株系中又恢复了正常。所有的研究结果都表明SIC1基因在盐胁迫条件下对植物钙信号的传递具有极其重要的作用。其作用机理需要进行进一步研究，为研究植物的抗盐胁迫途径奠定理论基础。