盐胁迫诱导香蕉根系细胞程序性死亡及其钙信号的调控机制

Programmed cell death (PCD) in plants plays an important role in plant development and stress responses. Root is the first organ to encounter stress. On the basis of previous National Natural Science Foundation, we extend to study salt stress-induced PCD in banana root under different NaCl concentrations and different stress duration time through artificial simulation experiment, which is detected from of morphological, physiological and biochemistrical, molecular levels by methods of tissue anatomy, cell biology, cell chemistry and molecular biology etc.. Furthermore, the PCD induction conditions of banana root are determined, and a salt stress-induced PCD model is established in banana root. Meanwhile, salt stress-induced PCD in plant root is identified via the measures of adding exogenous Ca2+, TFP, EGTA and A23187 so on agents. The spatio-temperal change of contents and their genes expression of Ca2+-dependent endonuclease, calmodulin dependent protein kinase (CaM kinase) and caspase-like etc., which are closely related to the PCD happen, are analyzed. The completion of this project will enrich the analytical mechanism of calcium signaling pathway in improving salt tolerance of banana, aim to provide theoretical basis for salt tolerance cultivation and breeding of banana and promote the sustainable development of banana industry.

植物细胞程序性死亡（PCD）是植物发育与抵抗逆境的最重要的机制之一，而根系是最先感受逆境的器官。在上一个国家自然科学基金的研究基础上，本项目拟利用组织解剖学、细胞生物学、分子生物学等方法，在不同浓度NaCl和不同胁迫时间的人工模拟盐胁迫下，从形态学、生理生化、分子生物学等不同层面检测香蕉根系PCD的发生，进而确定香蕉根系PCD的诱导条件，建立盐诱导香蕉根系PCD发生模型。在此基础上，利用外源的Ca2+、TFP、EGTA和A23187等措施阻碍或增强钙信号系统转导途径，研究Ca2+信号系统对盐诱导香蕉根系PCD发生的影响，探析与PCD发生密切相关的Ca2+依赖内源性核酸内切酶、钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaM激酶）、类Caspase等含量变化及其基因表达情况。本项目的完成将丰富钙提高香蕉耐盐性的信号通路的解析机理，提供香蕉耐盐栽培和耐盐育种的理论基础，促使香蕉产业可持续发展。

植物细胞程序性死亡（PCD）是植物发育与抵抗逆境的重要机制之一，而根系是最先感受逆境的器官。香蕉是我国重要特色热带作物之一，但是生产中盐碱化严重限制其产业的发展。本研究以500 mmol/L NaCl处理巴西蕉幼苗根系，TUNEL检测和Cyt c检测表明处理2 h开始发生PCD，DNA Ladder检测显示处理22 h出现DNA特异性条带；外源5 mmol/L CaCl2处理促进Cyt c从线粒体释放到细胞质中。生理研究表明外源Ca2+显著降低盐胁迫下香蕉幼苗根系的H2O2和MDA等含量，显著提高抗氧化酶活性和叶绿素荧光参数。RNA-seq技术表明外源Ca2+处理，香蕉根系响应盐胁迫的Ca2+依赖信号通路中差异基因及其上调的差异表达基因增多。以巴西蕉悬浮细胞为材料，TUNEL检测显示外源Ca2+处理显著降低盐胁迫细胞PCD发生率，维持盐胁迫下微管结构的完整性，降低细胞Caspase-3-like酶活性，但是EGTA及LaCl3处理增加细胞Caspase-3-like酶活性；盐胁迫胞内Ca2+-ATPase含量升高，而EGTA及LaCl3处理抑制该酶含量的升高。利用生物信息学分析等方法鉴定香蕉MC、Ca2+-ATPase、NHX和SOS1基因家族成员等，采用qTR-PCR 技术分析香蕉叶、根等不同组织中存在差异表达。选取盐胁迫下高表达量的Ca2+-ATPase基因家族的MaACA5和MaACA10进行原核功能验证，结果显示大肠杆菌的耐盐、耐渗透和耐高温能力得到提高。选取高表达量的NHX5，酵母互补实验表明，将 MaNHX5的 276 位丝氨酸突变为天冬氨酸后，MaNHX5’-AXT3耐盐性强于MaNHX5-AXT3；MaSOS1和 MbSOS1显著提高酵母AXT3耐盐性和耐高温性。在100 mmol/L甘露醇模拟渗透胁迫中，外源甜菜碱处理显著降低香蕉幼苗根的MDA含量积累，提高其抗氧化酶活性，有效缓解香蕉渗透胁迫；渗透胁和激素信号物质诱导MaCMO和MaBADH表达量升高；利用MeJA处理后筛选到大量抗逆相关差异基因表达，且预测MaCMO和MaBADH基因启动子区具有能与转录因子MYC2和ERF1/2相互作用的顺式作用元件G-box和ERF。此研究丰富香蕉耐盐机制，为香蕉抗逆分子功能机理研究提供新的科研生长点。