滨藜草酸钙晶体对盐碱胁迫的适应动态及其调控机制与生物学作用研究

Calcium oxalate crystals have important physiological functions of calcium regulation, defence system of plant and detoxification of heavy metals. More and more experimental evidence suggests that oxalates are associated with plant resistance reaction . But the fine regulation of calcium oxalate crystals synthesis and subcellular localization synthesis are still under development, the researching lack on the regulation mechanism of calcium oxalate crystals and stress resistance under salinity stress, in-depth study will help to understand the physiological mechanism of plant adaptation to salinity stress from the perspective of calcium oxalate crystal. The project is based on the previous work, Atriplex patens (Litv.) Iljin. which has remarkable characteristic of calcium oxalate crystal as research object, the use of the structure of botany, ecology, physiology and molecular biology, in situ spectral analysis, energy spectrum analysis, “omic” analysis and other methods, in-depth study of Contrast Experiment on artificial regulation under salinity stress, to study the dynamic changes of the morphology, quantity and distribution of calcium oxalate crystals. While studying the action mechanism of calcium inhibitors, antioxidants and exogenous calcium, the analysis of components of Calcium Oxalate Cells and Secondary Cells, the changes of Salt tolerance physiological index MDA, the result of “omic” analysis. The main study is to find the precursor material and main regulatory factors of calcium oxalate crystal synthesis, to explore the relationship and mechanism of how to adapt salinity stress of that. Providing new information for further study on the physiological function and application in Saline land of calcium oxalate crystals.

草酸钙晶体具有钙调控、植物防御、重金属解毒等重要生理功能，越来越多的实验证据表明草酸盐与植物抗逆反应有关。但草酸钙晶体合成的精细调控及亚细胞位点尚不明确，草酸钙晶体在盐碱胁迫条件下的调控与抗逆作用机制研究不足，对其深入研究有助于从草酸钙晶体角度理解植物适应盐碱胁迫的生理机制。拟在前期工作基础上，以草酸钙晶体具有显著特征的滨藜为研究对象，采用结构植物学、生理生态学、分子生物学、原位光谱分析、能谱分析、“组学”分析等方法，开展人工调控盐碱胁迫条件下的对比试验，研究草酸钙晶体形态、数量和分布规律的动态变化，并结合钙抑制剂、抗氧化剂、外源钙的作用机制以及草酸钙所在细胞与次第相邻细胞成分分析、耐盐生理指标MDA变化、 “组学”研究，重点解决草酸钙晶体合成的前体物质与主要调控因子，并探讨其与适应盐碱胁迫的关系与作用机制。为深入理解草酸钙的生理功能及其在盐碱地利用等方面的应用提供新的资料。

对滨藜开展了人工调控盐胁迫条件下的对比试验。研究了草酸钙晶体形态、数量和分布的动态变化；结合钙抑制剂、抗氧化剂、外源钙的作用机制以及草酸钙所在细胞与次第相邻细胞成分分析、结构及生理指标变化、 “转录组学”研究，探讨了草酸钙晶体与适应盐胁迫的关系及可能作用机制，从结构植物学角度，初步分析了盐胁迫基础上各调控因子对于草酸钙晶体合成的影响，分析了与草酸钙晶体合成可能有关的前体物质的转运形式及可能途径。结果表明：盐胁迫会导致滨藜草酸钙晶体数量增多、分布区域扩展；草酸钙晶体数量增多是一种植物对盐胁迫的新的适应方式，其可能作用机制为：盐胁迫造成低水势土壤环境，导致植物吸水困难，进而诱发滨藜防御机制，引起钙、草酸前体可能物质抗坏血酸等物质的代谢运输变化，其中钙可能以囊泡的形式从细胞质外体运输到液泡，抗坏血酸可能从质外体及细胞质内流进入液泡，导致细胞质、尤其是液泡的钙浓度升高，降低细胞乃至植物体水势，而促进植物在盐胁迫条件下对水分的吸收，然后在液泡中生物合成草酸钙晶体，草酸钙晶体的不断积累和体积的增大，是保持植物体盐胁迫条件下持续吸水的动力之一；盐胁迫条件下，调控因子外源钙有缓解植物盐胁迫的作用，但草酸钙晶体增加有限；异搏定和钌红分别使草酸钙晶体稍有增加和明显减少，但二者对草酸钙的合成有不同的影响机制；抗氧化剂维生素C明显降低草酸钙晶体含量，说明其主要发挥了抗氧化的功能而不是主要作为草酸合成的前体；红外显微结构研究表明，有无草酸钙晶体的相邻细胞具明显异质性；钙荧光标记观察结果支持上述钙的转运途径；转录组结果支持草酸钙晶体的前体可能是抗坏血酸，支持上述钙的囊泡运输观点、尤其是液泡蛋白加工基因c44419.graph_c0竟然上调1923.1，说明了液泡在盐胁迫条件下及草酸钙晶体积累过程中发挥重要作用。研究结果首次发现了盐胁迫与草酸钙晶体的关系，提供了比较全面的基础研究资料。