脱水素MtCAS31在干旱胁迫下降低截型苜蓿失水量和保护共生固氮的分子机制研究

Drought stress negatively affects plant growth、development and symbiotic nitrogen fixation (SNF) in legumes. However it is still unknown how internal C:N balance and SNF impact on plant response to water limitation. Dehydrins play important roles in drought response, but the function of dehydrins in SNF under drought stress has not been studied. Here, we show a dehydrin protein, MtCAS31 (cold-acclimation-specific 31 protein), plays roles in water maintenance and SNF regulation in Medicago truncatula. This project intends to further study the molecular mechanisms of MtCAS31 under drought stress in legumes. Reveal the molecular mechanism of dehydrin reducing the water loss in M. truncatula through studying the interaction sites of MtCAS31 and aquaporin MtPIP2;7, combining the physiological and biochemical functions. Reveal the molecular mechanism of drought induced dehydrin MtCAS31 protecting SNF through studying the interaction sites and protective effect between MtCAS31 and leghemoglobin MtLb120.The results have important value on leguminous crops drought-resistant breeding.

干旱胁迫不仅影响豆科植物的生长发育，也影响了共生固氮。然而，对于豆科在水分缺失条件下怎样调节C/N平衡和共生固氮却知之甚少。脱水素在植物抗旱中发挥了重要作用，关于其分子机制却知之甚少。在前期研究中，我们以拟南芥为材料揭示了脱水素MtCAS31调节气孔密度抵抗干旱的分子机制。我们通过深入研究发现MtCAS31在截型苜蓿中能够通过系统降低失水量和保护共生固氮来抵抗干旱，本项目拟阐明MtCAS31在豆科植物的抗旱机制。通过研究MtCAS31和水通道蛋白MtPIP2;7的互作位点，结合二者的表达特征、体内外生理生化功能，阐明这种互作对MtPIP2;7功能的影响，揭示脱水素系统降低苜蓿失水量的分子机制；研究MtCAS31和豆血红蛋白MtLb120的互作的生物学意义，探究脱水素在体内外对豆血红蛋白的保护作用，揭示干旱大量诱导表达的脱水素保护共生固氮的分子机制。本课题对豆科作物抗旱育种具有重要价值。

干旱胁迫是影响植物生长和农作物产量的主要限制因子，发掘抗旱关键蛋白并解析其分子机制具有重要价值。脱水素属于LEA蛋白，是抵抗干旱胁迫的重要正调节因子。脱水素蛋白是结构松散的无序蛋白，前人研究主要集中在通过体外生化实验证实其具有分子伴侣的功能，而对于脱水素蛋白在干旱胁迫下在植物体内发挥的功能知之甚少。本项目以截型苜蓿脱水素蛋白MtCAS31为研究对象, 通过生化与遗传学证据, 证明了其在响应干旱胁迫中的作用，并揭示了其参与植物系统抗旱和保护共生固氮的分子机制。本项目研究发现MtCAS31能够在胁迫条件下作为分子伴侣保护共生固氮中的关键蛋白, 豆血红蛋白MtLb120-1, 从而影响固氮效率, 延缓了干旱诱导的根瘤衰老, 进而降低了干旱胁迫对共生固氮的不利影响。本研究成果首次揭示了脱水素在干旱胁迫下对共生固氮的保护作用。本项目研究还发现MtCAS31能够显著提高截型苜蓿的抗旱性, 并且能够与水分转运蛋白, 水通道蛋白MtPIP2;7互作，进而形成MtPIP2;7-MtCAS31-MtATG8复合体。表明在深度干旱胁迫下，脱水素CAS31作为Cargo receptor促进MtPIP2;7自噬降解,减少了在干旱条件下植物的水分流失。综上，我们的研究成果揭示了脱水素蛋白的功能多功能性，在干旱胁迫的早期，作为分子伴侣，保护一系列关键酶和蛋白的活性，保障其执行功能；而在干旱胁迫的后期或者深度干旱胁迫下，脱水素作为自噬途径的cargo receptor，参与水通道蛋白等的自噬降解，防止水分流失。我们的研究成果揭示了脱水素在干旱胁迫不同时期、不同强度时通过多功能性来维持抗旱相关的蛋白质稳态，从多个层次抵抗干旱。本研究为植物抗旱育种提供了新的理论支撑和基因资源。研究成果具有重要的科学价值和应用前景。