类受体激酶RLK调节羊草根感应钙营养状态的分子机制研究

Leymus Chinensis is an prominent constructive specie of the Inner Mongolia steppe, which mainly is calcareous soils.Calcium （Ca）content is an essential quality index for forage. The Ca content in the surface soil has been significantly decreasing worldwide. Animal cells have sophisticated mechanism sensing calcium nutrition status.Our team primarily investigates if Leymus Chinenesis has similar mechanism. It was found that Ca2+ deprivation specifically promotes the primary root elongation,accompanied with decreasing hemicellulose content and induction of H2O2 production.Meanwhile, it induced expression of genes involving in hemicellulose biosynthesis and encoding signal transduction kinases. The 30% of the down-regulated genes encode receptors with kinase activity RLK (Receptor Like Kinase). We have established gene transient expression system in Leymus Chinensis and techniques for detecting intra- and extracellular Ca2+. The proposed project is to create genetic RLK mutants of Leymus Chinensis with those identified RLK genes as targets,through virus-induced gene silencing (VIGS)technique.Electrical reaction of those wild type and RLK mutant root cells will be compared with electrophysiological technique. The Ca nutrition status sensing mechanism of Leymus Chinenesis was investigated with other cellular and physiological experimental methods

羊草是内蒙古草原主要建群种。草原土壤主要是钙（Ca)质土。Ca含量是牧草重要饲用指标。全球表层土壤Ca含量显著下降。动物细胞具有感知Ca营养状况的精细机制。本课题探索羊草是否有类似机制。前期研究发现，Ca养分缺乏特异性诱导羊草主根延伸，半纤维素含量降低和H2O2产生，同时诱导包括半纤维素合成相关酶基因在内的、多种信号转导相关激酶基因上调；30%的下调基因编码具有激酶活性的类受体蛋白RLK（Receptor Like Kinase)。本项目，拟以课题组已经建立的羊草瞬时转化和植物细胞内外Ca2+检测技术体系为基础，以前期鉴定到的RLK基因为靶点，通过病毒介导的基因沉默(VIGS)技术创建RLK突变体材料，进一步利用电生理技术对比正常和RLK突变体材料根细胞对Ca信号的电学反应，检查细胞内外Ca2+浓度的动态变化。结合其他细胞和生理学技术，探索RLK对羊草Ca营养感知功能调节的生理和细胞学机制

羊草是是我国草原建群种，通过地下横走根茎进行无性自我克隆繁殖。北方草原土壤主要是钙质土。钙(Ca)是植物必需矿质元素，调节植物生长发育，协调植物细胞感知环境信号。类受体蛋白激酶RLK （Receptor Like Kinase）具有三个结构域，细胞外结构域感知信号分子，跨膜域和细胞内蛋白激酶活性域。项目研究发现羊草主要含有八类RLK，分别是半胱氨酸富集、亮氨酸富集、脯氨酸富集、丝氨酸苏氨酸激酶结构域、MDISI互作、钙调素结合、细胞壁偶联和LysM类受体激酶。Ca缺乏显著抑制羊草根茎延伸，抑制细胞壁、脂质合成和生长素合成。高Ca条件下羊草的根茎苗的数量、根茎扩展距离、主根茎长度以及根茎苗的鲜重极显著降低。根茎，根茎苗、母株和分蘖苗的Ca含量极显著上升；细胞壁组分合成增强。Ca缺乏和高Ca均显著调节丝氨酸苏氨酸激酶结构域RLK和半胱氨酸富集、亮氨酸富集RLK基因表达。羊草根、茎和根茎形态各异。相对于根茎，羊草茎主要含有细胞壁偶联RLK，根主要含有丝氨酸苏氨酸激酶结构域RLK和亮氨酸富集RLK。对收集的219份野生羊草进行生长表型分析发现2株根茎延伸能力显著差异羊草，含有724个差异表达RLK基因；同时发现2株叶表面粗糙度显著不同羊草，含有874个差异表达RLK基因。通过基因比对鉴定46个羊草特有RLK基因，对其中的3个基因编码蛋白进行了亚细胞定位研究和异源表达。在项目资助下，4名博士和5名硕士完成学位论文，承办羊草生物学研讨会，获批自治区羊草创新团队，建设羊草种质扩繁基地1处和羊草草原生态修复示范基地2处。项目实施增加了我们对RLK在钙调节羊草根茎生长中作用的理解，促进了羊草团队建设和羊草草原生态修复技术开发。