植物Na+感应分子的分离鉴定和功能解析

Salt stress is one of the major abiotic factors that affecting plant growth and crop yield. Salinity stress impacts plants by combined effects of Na+ toxicity and osmotic perturbation. How plants sense salt stress signal is a fundamental biological question, despite much effort, no specific salt sensors/receptor have been identified in plant cells. Salt stress is one of the environmental cues that induces changes in cytoplasmic Ca2+ concentration. We expressed candidate Arabidopsis membrane proteins in CHO cells, and identified CSC1 (Calcium permeable Stress-gated cation Channel 1) that triggers intracellular Ca2+ elevation in response to hyper-osmotic stress. Recently, we found that AtCSC1 can be activated by high concentration of Na+ in CHO cells. Based on these results, we therefore plan to take a systematic approach to determine the expression patterns and subcellular locations of 15 CSCs in Arabidopsis and generate high order csc mutants using CRISPR/Cas9 system. Furthermore, we will determine the electrophysiological properties and salt stress gating of the receptor-channel; functional analysis of CSCs on Na+ sensing in planta. Together, it is expected to provide direct experimental evidence towards understanding how plant cells sense and adapt to salt stress.

植物如何感受和响应盐胁迫是一个基本的生物学问题。盐胁迫对细胞造成的损伤主要是胞内Na+积累造成的渗透胁迫和离子毒害，寻找植物感受Na+浓度变化的分子是本领域的关键问题。细胞内钙离子浓度的瞬时增加是植物应对逆境的最早期反应之一，以此为依据，申请人在前期工作中通过筛选膜蛋白表达文库，克隆得到并命名真核生物中首个渗透势感应蛋白家族CSCs，其本质是一类全新的高渗门控的非选择性阳离子通道。我们发现在体外AtCSC1可以直接响应高浓度的Na+，并介导胞内钙离子的瞬时增加，本课题以此为切入点，首先系统性解析植物CSCs的表达模式及亚细胞定位，利用基因组编辑技术获得相关基因突变体，确认CSCs作为离子通道的电生理及高Na+门控特性，探索该类蛋白在植物响应盐胁迫过程中的生理作用，力求解析CSCs感应盐胁迫的分子机制，为发现Na+的受体分子提供新的证据。

植物感受和响应盐胁迫是一个基本的生物学问题，盐胁迫的早期阶段对细胞造成的损伤主要是渗透式胁迫。细胞内钙离子浓度的顺势增加时植物应对逆境的早期反应，前期工作中发现拟南芥CSC1可以在体外直接响应高浓度的钠离子并介导胞内钙离子的瞬时增加，本项目围绕CSC家族展开了系统性的研究，分析该家族基因基本表达模式及亚细胞定位，以及在渗透式胁迫过程基因表达水平的变化；利用基因编辑技术获得表达部位相同的多基因突变体；利用突变体材料对不同非生物因素（盐、干旱和冷）引起的渗透式胁迫进行了表型观察；通过序列比对得到水稻中具有类似渗透式响应功能的CSC成员，发现了CSC11可被高渗溶液激活介导钙离子内流，具有受体和通道双重功能的作用方式，调控花药水分含量和花粉发育，可能参与了水稻雄蕊应对干热风的原初感应过程。研究成果为进一步深入了解植物感受渗透式变化以及相关钙信号转到过程提供了良好实验方法和基础。