植物活性氧诱导钙信号的分子机制研究

Plants are constantly subjected to a changing environment, many environmental stresses result in increased generation of active oxygen species (ROS) in plant cells. ROS were considered to be toxic by-products of aerobic metabolism in plants. However, recent studies showed that they also act as important cellular signalling elements. One target of ROS signal transduction is the activation Ca2+-permeable channels, leading to a transient increase in [Ca2+]i. Ca2+ has a second messenger function in the signal production of a cellular response that controls a diverse range of cellular processes. Although the phenomenon that ROS can induce [Ca2+]i, has been proposed for many years, the underlying molecular mechanisms are still unknown. Here, based on the characteristic of aequorin, we established a genetic screening system to study the molecular mechanism of H2O2 induced [Ca2+]i increase. Using this system, we have isolated several Arabidopsis T-DNA insertion mutants, and successfully cloned one gene, HICI1. We plan to study the molecular, cellular and electric physiological functions of the gene, and clarify the molecular roles of HICI1 in perception and transduction ROS signalling, and finally provide strategies in understanding the molecular bases of H2O2 induced [Ca2+]i increase.

植物处于不断变化的环境之中，而环境中的各种胁迫会导致植物体内活性氧的迅速积累。活性氧过去一般被认为是植物代谢过程中产生的毒副产物，然而近年来的研究表明，活性氧还是细胞信号转导和调控的重要组成部分。其中活性氧的一个重要功能是诱导体内游离钙离子（[Ca2+]i）的迅速增加，而钙离子作为胞内第二信使，在细胞信号转导过程中发挥着极其重要的作用。虽然活性氧诱导[Ca2+]i增加的现象早已被发现，但其中的分子机制尚不清楚。本项目利用水母发光蛋白结合钙离子后能发出荧光的特性，建立了一套筛选体系来研究H2O2诱导[Ca2+]i增加的分子机制。目前已经利用该体系筛选出相应的拟南芥T-DNA插入突变体，并克隆到一个基因HICI1。本项目拟通过分子、细胞及电生理等各种手段研究该基因的功能，阐明HICI1在植物感受活性氧及调节细胞内[Ca2+]i的作用机理，为完全揭示活性氧诱导钙信号的分子机制奠定基础。

植物时刻处于不断变化的环境之中，而环境中的各种胁迫会导致植物体内活性氧的迅速积累。活性氧过去一般被认为是植物代谢过程中产生的毒副产物，然而近年来的研究表明，活性氧还是细胞信号转导和调控的重要组成部分。其中活性氧的一个重要功能是诱导体内游离钙离子的迅速增加，而钙离子作为胞内第二信使，在细胞信号转导过程中发挥着极其重要的作用。虽然活性氧诱导体内钙离子增加的现象早已被发现，但其中的分子机制尚不清楚。通过本项目的资助，我们用转基因的方法将水母素基因导入水稻中，进而创建了水稻钙离子信号检测体系。利用该体系，我们能够很方便地测定水稻体内钙离子浓度的大小。我们发现盐胁迫能够快速地诱导水稻体内的钙离子信号而活性氧胁迫诱导的钙离子信号则相对比较缓慢。利用不同的钙离子通道抑制剂，我们发现盐和活性氧诱导的钙离子来自不同的钙库。最后，我们还提出了钙离子和活性氧在植物盐胁迫感受中作用的模型。在这个模型中，盐胁迫首先诱导了钙离子信号，而钙离子信号启动了活性氧的爆发，增加的活性氧一方面诱导下游基因的表达，另一方面又能诱导另一个钙离子信号，而这个钙离子信号对于启动某些基因的表达非常重要。在完成了本项目的研究后，我们还继续利用这个系统开展了其他的研究。我们筛选了不同种类氨基酸对水稻钙离子信号的影响。我们发现，谷氨酸能够特异地诱导水稻钙离子信号。脱敏和药理学实验证实谷氨酸诱导的钙离子信号是通过OsGLR家族的成员实现的。我们进而对水稻的OsGLR家族进行了研究，发现OsGLR2.1可能参与了这个过程。