干旱胁迫下脱落酸和磷脂酸信号传递过程中细胞磷脂酶D响应的作用机理研究

Plant growth and development are affected by drought stress severely. Phospholipase D (PLD) involves in the plant growth, development and stress tolerance. Although PLD has been researched for many years in many plant species, the PLD mechanism and signal pathway responding to the stresses are not clear because of the complex of the phospholipid’s metabolism and the diverse signaling pathways. In this study, using wild-type Arabidopsis and ABA、PA、PLD-related mutants as materials, we plan to study the mechanism of PLD response to drought stress, and the ABA、PA signal pathway regulated the PLD by adding exogenous ABA、PA, inhibitors, and elicitors. The findings will be helpful to understand the function of PLD, strengthen the theory of drought tolerance, reveal the anti-drought mechanism, and find the anti-drought germ resources. These possess important theoretical and realitical significance.

干旱胁迫严重影响植物生长发育。长期以来，植物抗旱物种的选育、干旱胁迫机理的研究受到各国学者的关注。磷脂酶D (PLD)广泛参与细胞生长发育及抗逆反应，然而膜上磷脂代谢途径复杂、信号通路多样导致PLD参与干旱胁迫信号的作用机理及抗逆信号通路不明确。本研究以模式植物拟南芥野生型及与脱落酸（ABA）、磷脂酸(PA)、PLD相关突变体作为研究对象，施加外源供体、抑制剂、诱导子，利用分子细胞、生理生化的方法，研究不同干旱胁迫下，PLD基因家族成员的时空表达差异，ABA和PA信号传递过程中PLD响应特征，及PLD过表达转基因植株抗旱性鉴定，深入揭示ABA和PA信号传递过程中PLD响应干旱胁迫的作用机理及ABA、PA、PLD三种信号物质间的调控关系，旨在较完整地阐明干旱胁迫下细胞磷脂酶D功能及信号调控过程，为加强植物资源抗旱理论研究，阐明植物抗旱机理，并在实践中发掘与创新抗旱种质资源提供理论及实践依据。

以拟南芥哥伦比亚野生型(WT)、ABA1缺失型突变体(aba1)、磷脂酶D(PLD)缺失型突变体(pldα1，pldδ，pldγ，pldζ)等幼苗为材料，利用分子生物学、细胞生物学和生理生化研究方法，探究了干旱胁迫响应过程中ABA和PA对PLD的信号调控以及它们在植物抗旱性中的作用机制。研究发现，干旱胁迫下，ABA可以通过Ca2+激活PLDδ基因表达，进而促进PLD活性，其中由质膜Ca2+通道进入细胞的Ca2+在此过程中发挥主要作用；PLDδ/PA位于NO信号的上游，且PLDδ/PA主要通过NR2途径产生的NO促进干旱胁迫下拟南芥的种子萌发；外源ABA诱导PLD活性发生变化，外施PA显著影响aba1中PLDα1的相对表达量，PLDα1位于ABA下游；外源NaHS促进WT、pldα1、lcd、aba1气孔关闭，说明H2S位于PLDα1、ABA下游参与调控拟南芥气孔关闭以减少蒸腾作用来缓解干旱胁迫造成的失水；PLDδ/PA位于9-LOX上游参与9-LOX诱导的JA合成过程，PLDδ和9-LOX均参与了PA和JA介导的种子萌发过程；干旱胁迫下，JA对PLD活性以及PLDδ基因表达的调节具有浓度依赖性，且G蛋白也参与此调节过程；GPA1和PLDδ共同参与JA对种子萌发的调控过程；GPA1和PLDδ在MeJA对细胞膜的保护中发挥作用，pldδ突变体植株中响应干旱胁迫的基因RD29A的表达量低，外施MeJA能够上调RD29A基因表达，增加植物的耐旱性；干旱胁迫下PLDγ基因及ABA共同参与调控干旱胁迫下拟南芥的种子萌发过程和对拟南芥膜稳定性及渗透调节物质的调节；干旱胁迫下，相比于野生型植株，CbPLDγ、CbPLDδ 基因转基因株系的膜损伤程度更低，渗透调节物质含量更高，过氧化氢含量更低，抗氧化酶活性更强，表明转基因株系耐旱性增强。本研究基本明确了PLD基因家族成员（pldα1，pldδ，pldγ，pldζ）参与干旱胁迫的作用机制，拓展并加深理解PLD调控干旱胁迫的内在机制，为加强植物资源抗旱理论研究，阐明植物抗旱机理，并在实践中发掘与创新抗旱种质资源提供了试验数据。