拟南芥丙酮酸转运体参与植物干旱胁迫响应的分子机制研究

Drought, as one of the most important abiotic stress, limited the plant growth and crop yields. The aperture of stomatal on plant epidermis controls plants’ water loss. Therefore, exploration of new genes and molecular mechanism in regulation of stomatal movement will provide theoretical guidance and functional genes for improving the drought tolerance of plants. Our previous work showed that the functional deficiency mutant of NRGA1, one of Arabidopsis mitochondrial pyruvate carrier, improved the drought tolerance of plants. The work also proved that exogenous pyruvate can promoted stomatal closure, while enhanced the process of abscisic acid (ABA) in inducing stomatal closure. The mpc1, null function mutant of Arabidopsis pyruvate transporter 1 (AtMPC1), appeared sensitive properties on ABA promotion of stomatal closure, and had higher drought tolerance. Therefore, we should further analyze the molecular mechanism of pyruvate and mitochondrial pyruvate carrier in regulation of stomatal movement. 1) Make clear the mechanism of pyruvate in regulation of stomatal movement and the interaction between pyruvate and ABA ; 2) Recognize the genetic and molecular mechanisms of AtMPCs in regulation of stomatal movement and drought tolerance. We expect to explore new molecular and functional genes in regulation of stomatal movement, and provide function genes and theoretical guidance for breeding new resistant crops.

干旱是限制植物生长发育和作物产量的最重要非生物逆境胁迫之一，而植物表皮的气孔开度控制着植物水分的散失。因此，发掘植物的气孔运动调控基因和分子机制，将为改良作物耐干旱能力提供理论指导和功能基因。我们前期工作证明，拟南芥丙酮酸转运体家族成员之一 NRGA1 的功能缺失提高了植物耐旱性；同时也证明外源丙酮酸诱导气孔关闭，增强脱落酸（ABA）诱导气孔关闭过程。拟南芥丙酮酸转运体1（AtMPC1）的缺失表达突变体 mpc1，也对 ABA 诱导气孔关闭过程过敏感，植株抗干旱能力增强。因此，从分子及遗传学水平对丙酮酸及丙酮酸转运体调控气孔运动的分子机理做进一步分析，即1)明确丙酮酸调控气孔运动作用机理及与 ABA 间的互作关系；2）确定拟南芥丙酮酸转运体家族成员（AtMPCs）在调控气孔运动及植物抗旱中的遗传分子机理。期望发掘调控气孔运动新的分析和功能基因，为培育作物抗逆新品系提供功能基因和理论指导。

干旱是常见的非生物胁迫，严重影响了植物的生长发育以及农作物产量。在长期进化过程中，陆生植物自身形成了多种方式，去适应或者抵抗干旱胁迫。在这些抗逆机制中，植物叶片上的气孔扮演了重要的角色。植物通过根系从土壤中吸收的水分，绝大部分由气孔以蒸腾作用的方式散失出去。所以，通过研究植物气孔运动的调节机制以及细胞信号转导过程，找到参与植物干旱胁迫应答的相关功能基因，并深入研究基因可能的作用机理，对改善植物的抗旱能力，提高农作物产量，具有重要意义。.本论文使用模式植物拟南芥作为实验材料，采用细胞生物学、分子生物学、遗传学、以及电生理学等研究技术手段，对线粒体丙酮酸转运体AtMPC1进行了生理功能及其可能的作用机制研究。AtMPC1异源表达在酵母突变体中，可以恢复MPC1的活性。在细胞质线粒体上的定位，也与其线粒体丙酮酸转运体的功能相一致，并且通过组织表达模式分析的GUS染色发现，AtMPC1在保卫细胞中大量表达。在生理性状上，AtMPC1突变体mpc1气孔运动对ABA处理更为敏感，离体叶片失水率更低，植株具有更强的抗干旱能力，并且ABA激活的慢速阴离子通道电流更大。此外，AtMPC1过表达株系 (OE) 所有性状与突变体都相反，功能恢复株系 (C) 则可以逆转突变体表型，与野生型性状相一致。证明，AtMPC1作为一个负调控因子发挥作用，介导了ABA调控的气孔关闭和干旱胁迫应答过程。此外，还发现在ABA及干旱胁迫处理条件下，野生型Col-0和突变体mpc1中丙酮酸含量都得到了提高，并且mpc1丙酮酸含量升高的程度比Col-0更高。除此之外，丙酮酸能够在一定程度上激活慢速阴离子通道活性，促进气孔的关闭，并且丙酮酸的激活作用是通过与ROS产生相关的NADPH氧化酶RbohD/RbohF实现的，同时也观察到丙酮酸处理下，保卫细胞中ROS含量的提高。因此，丙酮酸通过诱导ROS的产生，进一步促进气孔关闭，实现对气孔运动的调控。这一结果在一定程度上解释了AtMPC1调控气孔关闭和影响植物干旱胁迫响应的作用机制。