水稻CNGCb和CNGCc调控高温胁迫反应的分子机制研究

High temperature is a limiting factor for the geographical distribution and the production of plants, and improving heat tolerance is critical for yield improvement of crop plants. It remains to be elucidated how temperature is sensed and signaled in plants to regulate various processes. The goal of this proposed research is to characterize the functions of CNGCb and CNGCc in regulating heat stress response in rice. We have used Crispr system to generate the homozygous cngcb and cngcc mutants, and identified that they were more susceptible to heat treatment, which indicates CNGCb and CNGCc may regulate thermosensory in rice. This study aims at further elucidating how calcium signal regulates heat tolerance through identifying the molecular basis and regulatory pathways of these two genes. In addition, we will also analyze the function of two potential CNGCs downstream mediator genes CaM and CBK in rice heat tolerance. These studied will enhance our mechanistic understanding of high temperature regulation in plants and fill the gap of functional analysis of rice CNGCs in heat stress, providing a theoretical basis for improving heat tolerance in crop plants.

高温影响植物的生长与繁殖，因而增强植物对高温的适应性是提高作物产量的重要途径。然而，对于植物是如何感知、转导高温胁迫的信号还有许多问题有待解决。本研究将分析水稻环核苷酸门控钙离子通道CNGCb和CNGCc参与调控高温反应的分子机制。项目前期已利用Crispr体系分别构建了CNGCb和CNGCc的突变体，并发现该突变体在高温处理下较野生型更为敏感，暗示其参与调控水稻高温反应。本项目将在此基础上，研究CNGCb和CNGCc参与调控高温反应的分子机制；分析其下游调控蛋白CaM和CBK是否参与调控水稻耐热反应；利用转录组分析探究CNGCb和CNGCc调控高温响应的转录机理和信号通路。通过的以上研究初步解析钙信号参与调控水稻高温胁迫反应的遗传通路和网络。本研究将提高对植物调控高温信号通路的认知，填补水稻CNGCs参与高温响应研究的空白，为进一步培育耐高温水稻品种提供一定的理论依据和思路。

钙信号对于植物响应热和冷胁迫十分重要，但是在水稻中钙信号响应温度胁迫的分子传导机制尚不是很清楚。针对上述问题，我们研究了两个密切相关的环核苷酸门控离子通道（CNGC）蛋白OsCNGC14和OsCNGC16在水稻耐温胁迫中的功能。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了这两个基因的功能缺失型突变体并对其进行高温和低温下苗期表型鉴定。结果表明，在高温和低温条件下，cngc14和cngc16突变体的存活率均降低，过氧化氢的积累增加，细胞死亡加剧。对WT和cngc16-3进行转录组测序。通过一系列分析，结果表明在转录组水平上cngc16突变体与野生型没有质的差异，但在突变体和野生型中某些基因的响应程度略有不同。此外，在cngc16-3突变体中HSP (Heat shock protein)的诱导较高于WT。OsCNGC14或OsCNGC16的缺失减少或消除了由热或冷诱导的胞质内钙信号。此外，拟南芥中同源基因AtCNGC2和AtCNGC4的缺失也导致其耐冷性的下降。为了进一步了解OsCNGC14和OsCNGC16参与耐热和耐性的调控机制，对拟南芥中CNGCs热响应信号通路中的下游元件AtCaM3和AtCBK3在水稻中进行同源性比对。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术产生OsCaM1-1、OsCBK18和OsCBK36的突变体，并对其进行耐热和耐冷表型鉴定。经过热和冷处理后，cam1-1，cbk18，cbk36相较于WT其幼苗存活率显著降低、离子渗漏率显著增高。本研究表明，OsCNGC14和OsCNGC16是耐热和耐冷所必需的，并且是响应温度胁迫的钙信号的调节剂, 暗示在高低温胁迫下，钙信号可能存在重叠。