膜联蛋白调控水稻响应干旱胁迫的分子机制研究

As multifunctional Ca2+ and lipid binding proteins, plant annexins directly participate in plant development and stress response control by regulating ion transport, generating and activating Ca2+ permeable conductance and maintaining redox status, etc. Bioinformatics analysis discovered 10 annexins in the cereal model plant rice. This research will focus on the molecular mechanisms by which annexins regulating drought stress responses in rice via genetics, biochemistry and molecular biology approaches. Earlier our group obtained transgenic rice plants with RNAi, overexpression, native promoter::GUS and annexin-GFP fusion protein constructs. We also have obtained transgenic rice lines harboring individual constructs. Preliminary data showed that two rice annexin proteins, which can interact with calcium-dependent protein kinase , are key regulators in rice drought tolerance. We will further investigate the roles of rice annexins and elucidate their signal transduction pathway in plant stress responses. Our research will provide good candidate genes for molecular breeding.

植物膜联蛋白是一种多功能的钙离子和磷脂分子结合蛋白，通过调节离子运输、钙通道形成和氧化还原等反应，直接参与植物生长发育和环境应答。生物学信息学分析表明，水稻基因组中有10个推测的膜联蛋白基因。前期研究中我们获得了水稻膜联蛋白家族成员的RNAi突变体、过表达Annexin及OsANNpro::GUS等转基因水稻实验材料；利用这些材料筛选出了参与抗旱胁迫反应的膜联蛋白基因，证明了它们与钙依赖的蛋白激酶的相互作用。本项目以膜联蛋白突变体水稻为模型，运用遗传学、生化及分子生物学等原理，采用蛋白免疫沉淀、酵母双杂交、凝胶阻滞等技术，探索水稻膜联蛋白与钙依赖的蛋白激酶互作响应干旱胁迫的信号途径；寻找与膜联蛋白互作响应干旱胁迫的其他蛋白；为分子育种提供候选基因。

膜联蛋白（Annexin）是一个多基因家族，不同生物的膜联蛋白编码基因数目也不同，但几乎所有的膜联蛋白都具有相对保守的与Ca2+和磷脂结合的中心结构域，以及高度变化的氨基端区域。保守的中心结构域使膜联蛋白具有部分保守的功能，而特异的氨基端则通过与其他蛋白相互作用而使不同的膜联蛋白具有各自不同的功能。植物膜联蛋白还具有多种转录后修饰位点，通过调节离子运输、钙通道形成和氧化还原等反应，直接参与植物生长发育和环境应答。水稻中的膜联蛋白家族有10个成员，本课题组在国家基金委专项基金的资助下，对水稻膜联蛋白的基因家族进行了探索性研究，在完成项目计划书中涉及的相关内容时，又随时调整和增加了部分研究内容，取得了阶段性研究成果。小结如下： .（1）对获得的RNAi和过表达以及Annexin pro::GUS转基因植株的分析，并对部分转基因植株进行非生物胁迫处理，明确了水稻膜联蛋白家族对非生物胁迫的响应，发现水稻中不同的膜联蛋白对各种非生物胁迫的响应有所不同。明确了OsANN1和OsANN2对干旱及热胁迫的响应，OsANN3和OsANN5对盐胁迫的响应；.（2）深入探索了OsANN1响应干旱及热胁迫的分子机制：过表达OsANN1能够促进SOD（Superoxide Dismutase）和CAT（Catalase）的表达，提高它们的生物活性，降低由非生物胁迫产生的过量H2O2对植物引起的伤害，由此提高过表达OsANN1的植株对干旱及热胁迫的抗性。.（3）分析了水稻中膜联蛋白与Ca2+及磷脂结合的特性，除OsANN6, OsANN9和OsANN10目前还未能获得相应的蛋白表达产物外，水稻其他的膜联蛋白均已被证明具有Ca2+及磷脂结合特性；.（4）明确了水稻的膜联蛋白在烟草叶片表皮细胞以及水稻根尖细胞中的亚细胞定位；.（5）干涉OsANN7的转基因水稻结实率明显低于野生型，干涉OsANN4的转基因水稻植株的分蘖数目明显少于野生型；. . 以上研究结果表明，水稻膜联蛋白基因家族不仅具有丰富的生物学功能，且各自的功能不尽相同，因此，有必要对水稻膜联蛋白家族成员逐一进行研究。一方面可以揭示水稻膜联蛋白基因家族的功能，另一方面可为植物分子育种提供理论依据。