响应盐胁迫的钙调素信号调控机理的研究

Salt is one of the most important environmental factor in influencing plant normal growth and development. The study on salt signaling is essential to enhance plant salt tolerance. Ca2+, the central chain of salt-stress pathway, mediates resistant reactions through activating its sensing protein. Calmodulin (CaM) is the most important Ca2+ multifunctional sensing protein, however, its role in salt resistance remains elusive. In this work, we expect to find the salt-responsive CaM isoform using Arabidopsis wild type and the loss-of-function mutants of CaM isoforms according to cellular and genetic techniques. Furthermore, we screen its possible binding target protein under salt stress with molecular techniques including affinity chromatography, Bimolecular fluorescence complementation (BiFC) and Co-immunoprecipitation (CoIP), and testify the effect of CaM isoform on its in vitro and in vivo activities with biochemical techniques to confirm salt-responsive CaM target protein. Finally, we investigate the physiological base of CaM induction of salt tolerance through its target protein. According to these upon results, we might establish the primary CaM signaling pathway under salt stress, which will fill up the blank of current plant science.

盐胁迫是影响植物正常生长发育的最重要的环境因素之一。Ca2+作为植物盐信号通路的核心环节，通过它的传感蛋白传递盐信号；钙调素（Calmodulin, CaM）作为植物细胞中最重要的Ca2+传感蛋白，通过结合并影响下游的靶蛋白活性对外界刺激进行响应。申请人曾对高温胁迫下的CaM信号系统进行过一系列研究，但是盐胁迫下CaM信号调控机制的系统研究还未开展。本课题拟以模式植物拟南芥的野生型和CaM亚型的功能缺失突变体为材料，利用基因表达分析和遗传学技术，发现并验证响应盐胁迫的CaM亚型；在此基础上，利用亲和层析、BiFC和CoIP等分子生物学技术，逐步筛选盐胁迫下CaM的结合蛋白；并利用生物化学技术，通过检验CaM是否影响结合蛋白的活性以确认CaM的靶蛋白；最后，利用生理生化技术研究CaM通过它的靶蛋白诱导植物耐盐性的生理基础，从而初步揭示盐胁迫下CaM的信号调控机制，填补当前植物学研究的空白。

土壤中过多的盐分严重制约了植物的正常生长和发育，造成了农作物的产量较少和品质的下降，植物体内盐信号通路的研究对于最终解决植物耐盐性的问题至关重要。钙信号作为植物盐信号的核心组分，通过它的传感蛋白诱导了植物的耐盐反应。作为植物细胞中最重要的盐传感蛋白，钙调素（calmodulin, CaM）与植物耐盐性的关系还不清楚，这是植物盐信号研究的一个空白，严重制约着人们对于植物耐盐性的认识。.本课题以模式植物拟南芥为材料，首先通过基因表达分析并结合植物的表型观察，首先确定了AtCaM1和AtCaM4是响应盐胁迫的钙调素亚型（它们编码蛋白的序列相同）；进一步的体内和体外的蛋白互作实验发现，AtCaM4受盐刺激与亚硝基谷胱甘肽还原酶（ S-nitrosoglutathione reductase，GSNOR）结合，并且抑制了它的蛋白活性，从而证明GSNOR是盐胁迫下的CaM的靶蛋白；最后的生理生化实验发现，CaM4通过GSNOR提高了组织中的一氧化氮（nitric oxide, NO）水平，进而调控了植物细胞内外的离子平衡，将过多的Na+排出体外，使得植物细胞避免受到过多盐分的伤害。.该部分研究内容发表在2016年的国际权威学术刊物PLOS Genetics上，该杂志的编辑专门撰文推荐我们的工作，认为“我们从一个新角度解释了植物的耐盐性，为植物盐信号的研究开辟了新的方向，为耐盐植物的培育提供了新的方法和理论依据” , 文章发表后也得到了国内外同行的广泛关注，德国马普研究所、中国农科院、中国农业大学和福建农林大学等单位都主动与我们联系并索要相关的植物材料。