硫化氢在拟南芥应答重金属镉胁迫过程中的信号作用及其机制

Hydrogen sulfide, following the nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO), has been proposed as the third gasotransmitter, the function of which is significantly implicated in the cardiovascular in mammals as a signaling molecules, but not in plants. Our preparatory work demonstrated that physiological concentrations of hydrogen sulfide fumigation notably enhanced the tolerance of Arabidopsis against cadmium stress and induced the stomatal closure, which was the same as treatmented by Cd, and the expression levels of important marker genes involved in abscisic acid (ABA) signaling pathways were raised. According to the phenomenon above and experimental evidence reported in the literature, we started the task -" The role and mechanism of hydrogen sulfide as a gasotransmitter in Cadmium stress response in Arabidopsis",and molecular biology, biochemistry and plant physiology were usd to resolve two questions: the function of K + ion channel in hydrogen sulfide signaling pathways, and the mutual relations and integration of hydrogen sulfide and ABA signaling pathways in plants response to the heavy metals stress.

硫化氢已经成为继一氧化氮和一氧化碳之后的第三种气体信号分子，其在哺乳动物体内心血管等方面的功能的已经得到证实，但是在植物中，其作为信号分子的作用尚不明确。我们以拟南芥为材料的前期工作发现如下现象：生理浓度的硫化氢处理可以明显增强拟南芥对重金属镉胁迫的耐受性；生理浓度的硫化氢熏蒸和重金属镉胁迫一样，可诱发拟南芥气孔关闭；生理浓度的硫化氢处理在提高拟南芥对重金属镉胁迫的耐受能力过程中，上调了脱落酸(ABA)信号途径中多个重要标记基因表达水平。结合这些实验证据和已有文献报道，本研究运用分子生物学、生物化学、植物生理学等研究手段，研究气体信号分子硫化氢在植物应答重金属镉胁迫过程中的信号作用及其机制；解析K+离子通道在其信号途径中的作用；了解硫化氢信号途径与ABA信号途径在植物应答重金属胁迫这一非生物胁迫中的相互关系与整合方式。

背景:. 气体信号分子H2S提高植物对高温、低温、盐、渗透、以及重金属等多种非生物胁迫的耐受性，本项目以拟南芥为材料，研究H2S在其响应重金属镉胁迫中的作用机制。项目计划中的研究任务基本完成，并开展了H2S在白菜抵抗冷胁迫，谷子抵抗重金属胁迫中的机制研究，内容和进展如下：.主要研究内容:. 1：ABA信号，乙酰水杨酸（SA）信号与H2S信号在拟南芥抵抗重金属镉过程中的相互关系以及相关组分的鉴定。. 2：H2S与Ca2+信号在谷子抵抗重金属铬过程中的相互作用机调节机制。. 3：H2S提高白菜幼苗冷耐受的机制。.研究进展与重要结果：. ABA诱导拟南芥内源H2S含量升高，转录因子WRKY18/40/60抑制拟南芥H2S产生酶基因LCD，DES和DCD1表达；WRKY的双突变和三突变体比野生型和单突变体的H2S产率高且更耐镉；外源H2S诱导WRKY40表达下降，WRKY18表达升高。lcd在根生长和气孔运动方面表现对ABA脱敏。. 乙酰水杨酸（SA）提高LCD酶活性和内源H2S含量，促进光合作用，缓解氧化损伤，提高拟南芥对镉的耐受；钙依赖的蛋白激酶 (CDPKs) 增强拟南芥的H2S产生酶活性和H2S含量，镉胁迫诱导的H2S信号需CDPK3参与，H2S通过对半胱氨酸残基的巯基化修饰（S-sulfhydration）提高镉耐受。H2S通过调控miRNA表达，提高拟南芥的抗旱性。. H2S与Ca2+信号相互作用，通过调节活性氧清除系统、重金属转运蛋白和植物螯合肽，缓解铬对谷子的损伤。低温、高温、盐、渗透、紫外胁迫引起谷子H2S 产生速率和内源H2S 含量升高，H2S 通过提高蛋白质巯基化水平响应胁迫。.H2S通过调控活性氧清除系统，缓解镉对白菜幼苗的根损伤；促进光合作用缓解冷胁迫对白菜的损伤。. 以上研究围绕H2S提高植物抵抗非生物胁迫的机制展开，重点是H2S提高拟南芥和谷子对重金属胁迫的抵抗机制，为H2S及其相关制剂在提高作物抗逆，重金属污染土壤的植物修复方面提供依据。