生物钟调控细胞钙离子节律振荡的分子机制

钙离子作为植物生长发育中重要的第二信使已有广泛的研究，但对于细胞内钙离子近24小时昼夜节律性振荡调控机制的研究仍处于起步阶段。生物钟调控植物诸多生长发育过程，对于增强光合效率，增加生物量，提高植物抗逆性具有重要意义，钙节律体现了生物钟调控生理生化过程的节律性，在植物生长发育和适应环境过程中起到了重要作用。本项目从以下三方面内容着手研究：1.钙离子节律振荡的生物钟调控机制；2.节律性振荡钙离子的细胞来源；3.钙振荡对生物钟负反馈调节。利用申请人在钙和生物钟领域多年的研究背景、专业知识和搭建的专门技术平台，试图解码钙节律的几个因素-钙水平 (Level) ，周期 (Period) ，振幅 (Amplitude) 和相位 (Phase)在不同光照、温度等条件下的产生机制、调控的分子机理。研究成果可能在植物对环境的适应性，植物发育和开花调控等领域有重要的理论价值和应用前景。

钙离子做为信号转导的信使分子在植物生长发育中已有广泛研究，但细胞游离钙离子近24小时昼夜节律性振荡机制的研究仍处于起步阶段。生物钟调控植物诸多生长发育过程，其中钙节律体现了生物钟调控生理生化过程的节律性，对植物体适应环境的能力起重要作用。本课题为了揭示生物钟调控植物细胞质中游离钙离子的近24小时节律振荡的分子机制，从以下三方面内容进行研究：1、钙离子节律振荡的生物钟调控机制；2、节律性振荡钙离子的细胞来源；3、钙振荡对生物钟系统的负反馈调节。2010年度工作正式展开，主要内容是整合生物信息学资源，预测并获取感兴趣的基因突变体材料，该年度顺利完成了突变体的筛选、杂交和鉴定工作，并转入了钙报告基因p35S:Aequorin以及生物钟报告基因（pCCA1:Luciferase, pLHY:Luciferase, pTOC1:Luciferase），基本完成了钙信号途径和生物钟相关基因的种子库。2011年度工作则集中在对含报告基因种子库的进一步建立（得到足够的纯合转基因植株）和分析（测量突变体拟南芥钙节律同时分析突变体生物钟节律的参数），鉴定出若干钙节律变化的突变体（钙调素、质膜定位的Ca2+-ATPase等），并初步揭示影响24小时游离钙离子振荡的产生和调控机制。2012年度除进行了钙振荡模式的研究和改变钙振荡模式对生物钟的影响的研究外，我们设计了新型的钙蛋白探针，基于LUC互补（The split luciferase complementation）和BRET（bioluminescence resonance energy transfer）工作原理，将其命名为Cabeacon，初步结果表明，新探针比Aequorin具有信号更强的优势。利用该探针我们测量了光暗周期下细胞质和叶绿体的钙浓度的周期变化，展现了良好的应用前景。此外生理学实验结果表明钙节律可以影响到开花时间调控基因FT的振荡模式。