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胞质Ca~(2+)信号参与强蓝光诱导的拟南芥下胚轴向光弯曲机制分析

乔新荣  
【摘要】:光是影响植物生长发育的重要环境因素之一。单侧蓝光诱导的向光弯曲反应可优化植物茎叶的最佳生长取向,捕获合适的光源。植物蓝光受体向光素(phototropins,PHOT1和PHOT2)介导了植物诸多生理反应,包括向光弯曲生长、叶绿体运动、气孔开放、抑制下胚轴伸长、叶片伸展和定位等。单侧强蓝光下,PHOT1和PHOT2以功能冗余方式调节下胚轴向光弯曲。由于其功能的冗余性,限制了人们对强光下PHOT1和PHOT2差异调节下胚轴弯曲机制的研究。近年来,遗传分析显示Ca_(2+)可能作为PHOT1和PHOT2的下游信号,参与调节蓝光介导的拟南芥相关生理反应。但Ca_(2+)信号与蓝光诱导的下胚轴向光弯曲之间可能的调节关系并不清楚。 为了分析蓝光诱导的黄化苗胞质Ca_(2+)的变化,本文构建了拟南芥PHOT1和PHOT2超表达载体,获得PHOT1在拟南芥野生型gl1和phot2突变体中的超表达转基因株系,PHOT2在拟南芥gl1和phot1突变体中的超表达转基因株系。并将脱辅基水母发光蛋白(aequorin)基因转入相应的超表达转基因株系及gl1、 phot1、 phot2和phot1phot2中。结果显示,100μmolm-2s-1的强蓝光照射15s,野生型下胚轴中胞质Ca_(2+)的积累显著。phot1中胞质Ca_(2+)浓度稍下降,而phot2大幅度降低。PHOT2系列超表达株系下胚轴中胞质Ca_(2+)的积累显著大于PHOT1系列超表达株系,且以phot1为背景超表达PHOT2株系的胞质Ca_(2+)积累显著大于gl1背景。这些结果表明,PHOT1和PHOT2介导了不同的胞质Ca_(2+)信号,且蓝光诱导的黄化苗下胚轴胞质Ca_(2+)积累主要由PHOT2介导,在此信号转导过程中,PHOT1可能负调控PHOT2。药理学分析表明,PLC抑制剂U73122和胞内Ca_(2+)库抑制剂RR显著抑制胞质Ca_(2+)积累,表明PHOT2依赖的蓝光诱导的胞质Ca_(2+)积累主要来源于胞内钙库释放到胞质,胞外钙库通过质膜Ca_(2+)通道进入胞内的所占比例较小。膜片钳全细胞记录技术检测质膜Ca_(2+)通道活性试验表明蓝光激活了PHOT1依赖的质膜Ca_(2+)通道,与药理学分析结果一致。 接下来,分析了不同单侧蓝光光强诱导phot突变体下胚轴弯曲度的变化,发现100μmolm-2s-1蓝光照射下,phot1突变体的弯曲度明显大于phot2突变体和gl1,而phot2和gl1的弯曲度无明显差别。进一步试验证明phot1中超表达PHOT2株系的弯曲度显著大于phot1突变体。Ca_(2+)螯合剂EGTA处理后,phot1弯曲度无明显差别。LaCl3和RR处理后, phot1弯曲度变小。由此表明,单侧强蓝光下,PHOT2诱导胞内钙库释放入胞质的Ca_(2+)参与向光弯曲,与前面所述胞质Ca_(2+)积累主要由PHOT2介导结果一致。 强蓝光诱导的下胚轴胞质Ca_(2+)变化与向光弯曲度试验结果都表明PHOT1和PHOT2可能存在互作,利用酵母双杂交体外互作和双分子荧光互补(BIFC)体内互作试验表明他们之间不存在直接互作。推测向光素可能通过其下游的信号分子或调节机制调节Ca_(2+)信号参与向光反应。通过深入研究比对筛选,PKS1可能是重要的候选成员之一。体内外蛋白互作试验表明, PKS1全长与PHOT1/2互作。进一步的互作试验分析,PKS1也与钙调素CAM4/5互作。由于PKS小基因家族成员存在功能冗余性。由此表明胞质Ca_(2+)信号可能通过PKS参与强蓝光依赖的PHOT2介导的向光弯曲反应。


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