拟南芥组氨酸蛋白激酶1调节气孔关闭和保卫细胞信号转导的分子机制研究

植物通过关闭气孔减少体内水分散失，对干旱胁迫做出应答。我们发现拟南芥ATHK1在ABA和H2O2诱导的气孔关闭中发挥重要作用，但其具体作用的机制不清楚。本项目拟以拟南芥野生型、ATHK1超表达植物及athk1与ost1、abi1、abi2相关双突变体为材料研究ATHK1在保卫细胞信号转导中的位置、保卫细胞内的定位以及ATHK1调控的响应蛋白。运用膜片钳技术检测ATHK1对保卫细胞Ca2+通道的调节作用,通过confocal观察比较上述材料保卫细胞[Ca2+]的变化，确立ATHK1与其它重要组分在调控气孔关闭过程中的关系；另外分离受ATHK1磷酸化的蛋白，利用质谱鉴定其序列，用生物信息学方法分析其结构功能。本项目首次将组氨酸蛋白激酶ATHK1 与干旱诱导激素ABA及第二信使H2O2/NO/Ca2+等在调控气孔关闭方面联系起来，深入解释ATHK1在调节气孔关闭过程中的分子机制。

在高等植物中, 植物激素脱落酸诱导的气孔关闭是抵抗干旱的一种重要的应激反应. 在ABA 诱导的气孔关闭过程中, 有几种信号组分参与其中, 包括过氧化氢以及钙通道、钾通道等离子通道.最近研究发现,ATHK1 在调节种子形成的干燥过程中扮演着独一无二的角色, 因为超表达该基因会增强呼吸作用和脱落酸合成的相关基因. 所以, ATHK1 可能参与了脱落酸信号途径. 尽管有研究发现ATHK1 与ABA 间存在某些联系, 但是ATHK1 在ABA 信号转导中究竟处于哪个位置尚缺乏明确证据. 此前我们的一系列研究结果表明, 第二信使(如H2O2)和离子通道(如钙通道)都在ABA 诱导的气孔运动中发挥重要作用. 前期研究也发现, ATHK1 与气孔运动有一定关联, 因此, 本研究拟明确ATHK1 是否也参与了ABA/H2O2 信号传递系统以及它在其中是如何起作用的..　　本文的结果证明, ATHK1 在ABA 信号转导中通过调节保卫细胞质膜钙通道介导H2O2 诱导的气孔关闭. 当ABA 处理时, ATHK1 缺失突变体气孔关闭反应对ABA 和H2O2 敏感性下降; 与野生型相比, 突变体中ABA 诱导气孔关闭过程受到很大程度的抑制,同时athk1 在水分胁迫条件下的失水也比野生型更迅速. 以前的研究证明H2O2 的产生及其对气孔关闭的影响, 由于在athk1 突变体中受ABA 诱导产生的H2O2 量并未减弱, 功能缺失突变体并不影响H2O2 的内稳态, 故ATHK1 可能扮演保卫细胞中H2O2 的下游调节因子角色. 本研究发现, ABA 可以诱导H2O2 产生,.　　进而调控保卫细胞钙离子内流, 钙内流又引起保卫细胞渗透状态变化从而使气孔形态发生变化, 导致气孔关闭. .　　通过膜片钳实验, 本研究发现ATHK1 也能调节钙通道, 并且调控H2O2 产生的NADPH 氧化酶的抑制剂DPI 能够逆转其功能. 在WS 野生型中, 受到H2O2 调控的通道也能被ATHK1控制, 但在突变体中却没有类似现象.我们还发现一个有趣的现象, 那就是ATHK1 不仅调控保卫细胞内钙离子浓度, 而且调控胞内的钙浓度变化节律, 即调节钙震荡.