野大麦耐盐性调控的HbCIPK2-HbWRKY38-HbHAK2分子网络研究

Hordeum brevisubulatum, also named wild barley, is a wild relative species of wheat and barley, and is a vital perennial halophyte in Poaceae, has evolved specific mechanisms of salt tolerance in long adaptation. Our previous studies showed that HbCIPK2 which conferred salt tolerance interacts with the transcriptional factor HbWRKY38; HbHAK2 promoter is abiotic stress-inducible and harbors cis-element W-box which binds to WRKY. But if these three genes/proteins constitute a novel molecular network to mediate salt tolerance in wild barley still remain largely unknown to date. This proposal aims to: 1) confirm the interaction between HbCIPK2 and HbWRKY38; 2) determine the transcriptional activity of HbWRKY38 is regulated by phosphorylated modification of HbCIPK2; 3) investigate the expression of HbHAK2 is controlled by HbWRKY38 activity; 4) dissect the function of HbWRKY38 and HbHAK2 involved in salt tolerance, and at last uncover the mechanism of molecular network constituted by HbCIPK2, HbWRKY38 and HbHAK2 in salt tolerance. Based on the process of signal transduction, transcriptional regulation and gene expression, we will first identify the molecular network regulating salt tolerance in halophyte different from that of model plant. The results will provide new information for research in plant abiotic stress tolerance and novel strategies and methods for molecular design breeding.

野大麦是小麦、大麦的野生近缘种，也是禾本科重要的多年生盐生植物，长期演化形成了特殊的耐盐机制。我们前期研究发现，调控野大麦耐盐性的蛋白激酶HbCIPK2与转录因子HbWRKY38互作；HbHAK2启动子具有逆境诱导表达活性，序列含有与WRKY结合的W-box元件。但这些基因是否构成野大麦耐盐性调控的分子网络，目前仍不清楚。本项目拟：①确定HbCIPK2与HbWRKY38的互作关系；②分析HbCIPK2通过磷酸化修饰调控HbWRKY38的转录活性；③解析HbWRKY38对HbHAK2等的转录调控作用；④明确HbWRKY38和HbHAK2参与耐盐性调控的功能，最终揭示这些基因构成的分子网络在野大麦耐盐性调控中的作用机制。本研究首次以信号转导-转录调控-基因表达为切入点，利用盐生植物鉴定不同于模式植物耐盐性调控的分子网络，为植物抗逆调控研究提供新的信息，为作物抗逆分子设计育种提供新的策略和方法。

野大麦（Hordeum brevisubulatum）是禾本科小麦族大麦属重要的盐生植物，在长期适应中演化形成特殊的耐盐机制，具有重要的生产应用和科学研究价值。前期研究发现，野大麦在盐胁迫下可维持较高的K+含量，蛋白激酶HbCIPK2可调控植物的耐盐性，是调控K+/Na+平衡的枢纽。以HbCIPK2为诱饵筛选野大麦cDNA文库，获得转录因子HbWRKY38；HbCIPK2过表达株系中WRKY和HAK类基因表达显著增加，这些结果均指明HbCIPK2、HbWRKY38和HbHAK2三者之间可能存在调控关系，但是三者能否构成耐盐性分析调控网络，目前不太清楚。本项目利用各种技术通过体内外试验验证HbCIPK2和HbWRKY38在细胞核内互作，且主要与HbWRKY38的C末端互作；HbCIPK2磷酸化HbWRKY38 C末端的3个S位点，被磷酸化的HbWRKY38转录活性增强；HbWRKY38过表达可增强转基因株系依赖于ABA的抗旱耐盐性，转基因株系中HAK类基因表达明显增加；HbHAK2启动子具有逆境诱导表达活性，且序列含有W-box；HbWRKY38可特异性结合HbHAK2启动子中W-box，磷酸化修饰后的HbWRKY38可增强对HbHAK2的转录调控作用，可增强盐胁迫下K+的吸收，还可促进转基因株系侧根和根毛的发育，调控盐胁迫下的根系构型，最终增强耐盐性。总之，本项目首次从特殊种质资源-盐生野大麦中鉴定出不同于模式植物耐盐性调控的以蛋白激酶-转录因子为核心的分子网络HbCIPK2-HbWRKY38-HbHAK2，具有一定的创新性和前沿性。本研究取得的重要结果将为植物抗逆调控研究提供新的遗传信息，为作物抗逆分子设计育种提供新的策略和方法；也为特殊种质资源研究提供了新的范式，填补特殊种质资源耐盐分子机理深入研究的空白，极大推动盐生种质资源研究和利用。