拟南芥Ca2+-CPK21/CPK23-NRAMP1信号通路应答低锰胁迫的分子机制
批准号:
32100215
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
黄盼盼
依托单位:
学科分类:
水分和营养物质的运输与代谢
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄盼盼
中文摘要
锰是植物生长发育的必需微量元素,缺锰会限制作物的产量和品质。然而,植物吸收转运锰的分子机制缺乏深入研究,限制了利用基因编辑等技术提高作物耐受低锰胁迫的潜力。Ca2+信号以及Ca2+依赖蛋白激酶CPKs参与植物众多非生物逆境胁迫,但其是否参与调控低锰胁迫的科学问题还未解决。申请人前期研究发现,拟南芥cpk21cpk23双突变体对低锰胁迫显著敏感。通过BiFC、LCI、Pull-down和Co-IP实验技术发现CPK21、CPK23与高亲和锰转运体NRAMP1互作,并且体外磷酸化NRAMP1的S20和T498位点,暗示CPKs可能通过磷酸化修饰NRAMP1调控低锰胁迫信号转导。本项目拟在此基础上,揭示Ca2+-CPK21/CPK23-NRAMP1信号通路应答低锰胁迫的分子机制,解析NRAMP1的功能磷酸化位点,为作物耐受低锰胁迫的分子育种和培育有益重金属超富集作物提供理论依据和技术支持。
英文摘要
Manganese (Mn) is an essential trace element for plant growth and development, Mn deficiency seriously limits the yield and quality of crops. However, the molecular mechanisms underlying Mn uptake and transport in plants remain very rudimentary, which limit the potential genome editing and other biotechnology to improve crops tolerance to Mn deficiency. Ca2+ signal and CPKs (Calcium-dependent Protein Kinases) are involved in a wide array of abiotic stresses in plants, but whether they regulate low Mn stress remain unknown. In this study, the applicant has found that cpk21cpk23 double mutant displayed a significantly sensitive phenotype under Mn deficiency condition in Arabidopsis. Furthermore, using BiFC、LCI、Pull-down and Co-IP techniques, we validated that CPK21 and CPK23 interacted with the highly affinity Mn transporter NRAMP1, and phosphorylated NRAMP1 primarily at S20 and T498, suggesting that CPKs may regulate Mn deficiency by phosphorylation of NRAMP1. Based on these findings, the project aims to explore the molecular mechanism of Ca2+-CPK21/CPK23-NRAMP1 signaling pathway in response to Mn deficiency, unveiling the functional phosphorylation sites of NRAMP1, and hope to provide theoretical basis and technical support for the molecular breeding for crop tolerant to Mn deficiency and cultivation of plants with hyper-accumulation of beneficial heavy metals.
锰是植物维持正常生命活动必需微量元素之一,在植物的生长发育过程中发挥着不可或缺的作用。缺锰会导致植物生长受阻,甚至停止生长,制约作物的产量和品质。pH值是影响锰有效性的关键因素,我国北方土壤(碱性)缺锰问题突出,影响我国农业绿色高效可持续生产。锰转运体在植物吸收、转运锰的过程中发挥关键作用。然而,关于其关键转运活性位点及转运活性的分子调控机制的研究还有限,限制了利用基因编辑等生物技术提高作物在缺锰环境中吸收利用锰的潜力。Ca2+是真核细胞内广泛存在的第二信使。探索和明确Ca2+信号在锰营养信号转导中的生物学功能和分子机制,有助于完善植物吸收、转运和再分配锰的分子机理,为作物耐受低锰胁迫的分子改良育种奠定理论基础。.围绕Ca2+信号调控植物应答低锰胁迫的科学问题,申请人发现低锰胁迫可以触发植物体内长时间的Ca2+信号振荡;发掘了两个Ca2+感受器CPK21/23可以与高亲和锰转运体NRAMP1互作;揭示了CPK21/23磷酸化修饰NRAMP1调控其锰转运活性,系统解析了Ca2+-CPK21/23-NRAMP1调控途径是植物响应低锰胁迫的重要机制。该研究加深了对Ca2+信号调控植物锰稳态的理解,并为今后碱性土壤上的低锰逆境应答研究和农作物遗传改良奠定了坚实的基础。.此外,在本项目资助下,申请人围绕Ca2+信号调控植物矿质元素吸收利用和抗旱性的科学问题,解码了Ca2+信号通过CBL1/9-CIPK23调控锰转运体亚细胞定位进而调控植物对高锰毒害的耐受性的分子机制;解析了Ca2+信号通过CPK21/23磷酸化修饰铁转运体IRT1与镉转运体NRAMP6调控铁与镉的吸收的新机制;阐明了Ca2+感受器CPK10磷酸化硼转运体BOR1维持植物体内硼稳态的分子机理;揭示了CBL1/9-CIPK1-PYLs功能模块负反馈调节干旱胁迫的分子机理。这些研究结果进一步丰富了Ca2+信号调控植物生长发育和逆境响应的分子机制,为日后农作物分子遗传改良提供理论依据。
国内基金
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