钙及钙受体在树木响应酸雨中作用的分子机制

随着我国经济快速发展，酸雨为害日益严重，其中酸雨导致森林衰退及机制问题已成为急需解决的重大科学问题。有证据表明长期酸雨可造成植物和森林生态系统钙大量流失，且补钙可以恢复酸雨造成的伤害，但其作用的分子机制仍不清楚。我们预研已发现能感受环境钙的受体CAS在模式植物拟南芥耐酸雨和低钙中起着重要作用，暗示CAS对钙的亲和能力及其功能在酸雨敏感和抗性树种间可能存在很大差异。本项目将从酸雨抗性和敏感树种中克隆CAS基因，比较分析这些树种CAS在转录和翻译水平上的差异，及CAS蛋白对钙结合能力的差异，用钙荧光实时成像技术分析HEK293细胞（转化了不同树种CAS基因）对钙刺激的反应灵敏度，以揭示CAS的种间差异和树种抗酸雨能力的关系。同时用蛋白组学、基因差异显示和基因芯片技术研究树种对酸雨响应的网络。本研究将从一个全新的角度认识酸雨导致森林衰退的分子机理，为森林的酸雨防治及培育酸雨抗性树种提供科学依据。

我们用年轮分析技术研究表明峨眉山峨嵋冷杉的年轮生长和年轮Ca含量受到酸雨的影响已显著降低(Wu 2013)。用冷杉年轮Ca、Mg元素信息重建了冷杉林土壤酸度变化的历史趋势（Chen 2010）。通过对马尾松、柳杉、杉木、枫香、华山松、锥栗的研究揭示了酸雨作用下森林衰退不仅与树种的酸雨耐受性相关，也和生长环境中Ca含量有关（Liu 2011）。硫酸型酸雨相比硝酸型酸雨、混合酸雨而言，对枫香的损害比木荷的损害要大，其通过自由基的累积，强化了氧化损伤，造成光合的减弱，进而对植物造成伤害（Chen 2013）。. 蛋白组学分析表明酸雨通过影响与细胞防御、物质能量代谢、蛋白折叠、胁迫响应、茉莉酸信号途径和泛素化相关蛋白的表达，调控了植物的耐酸雨能力（Liu 2011）。β-aminobutyric acid通过调节相关蛋白的表达，缓解了酸雨的胁迫（Liu 2011）。马尾松和南方红豆杉以及枫香和木荷也表现出了不同树种对酸雨采取了不同的适应策略（Hu 2014, Chen 2014, preparing）。基因芯片技术分析显示拟南芥在酸雨影响下，与C、N、S代谢、氨基酸代谢、光合、抗氧化、运输和信号转导，特别是Ca信号转导有关的基因的表达发生了剧烈的变化(Liu 2013)。探讨了酸雨对植物S代谢的影响涉及到了硫酸盐的吸收、转运、含硫氨基酸的合成和GSH的代谢等过程 (Liu 2014)。Ca水平影响马尾松响应酸雨过程中的蛋白表达(Hu 2014), 对酸雨影响下的拟南芥也有较好的缓解作用（Liu, 2014)。. 我们克隆得到了马尾松、南方红豆杉、峨嵋冷杉、枫香、木荷等物种的CAS全长，并且注册到GeneBank中。分析了不同树种来源CAS基因的功能，显示不同物种CAS蛋白N端和Ca离子的结合能力具有种间差异，这种差异使不同树种对酸雨具有不同的耐受能力，基于此，我们进一步提出了酸雨引起森林衰退的一个模型 (Wang 2014, preparing)。. 还研究了CAS在拟南芥幼苗脱黄化中起着重要的作用（Huang 2011）并且在气孔关闭、光合电子传递、水分利用效率方面都有重要作用 (Wang 2012, 2014)。. 经过四年的研究，已超额完成了原定的任务和目标，在课题资助下已取得成果38项。培养23 名各类学生。