我所科研人员揭示胞外钙信号感受及植物抗旱新机制

植物学权威期刊Plant Cell近日在线发表了植物分子遗传国家重点实验室离子组学研究组题为“Arabidopsis histone methylase CAU1/PRMT5/SKB1 acts as an epigenetic suppressor of the calcium signaling gene CAS to mediate stomatal closure in response to extracellular calcium”的最新论文。该研究发现组蛋白甲基化酶CAU1/PRMT5通过动态调控CAS的组蛋白甲基化程度，从而同步保卫细胞的胞外钙浓度变化和胞内钙振荡，并进而调控气孔运动和蒸腾速率。

钙作为植物的大量营养元素和信号分子，在蒸腾作用的推动下，通过长途转运从根部进入地上部位。蒸腾速率随环境状态发生变化，由此运往地上部位的钙也相应变化。这种钙浓度的变化通过诱导胞内钙振荡，最终动态调节保卫细胞的运动及蒸腾速率，使得植物体内的水分平衡得以保持。该生理现象对于植物的环境适应具有重要的作用，但是其相关的分子调控机理仍有待阐释。

论文第一作者付艳蕾博士在龚继明研究员指导下，通过高通量的离子组学筛选方法，从拟南芥快中子诱变突变体库中筛选得到一个地上部分钙累积量下降的突变体cau1，该突变体同时表现出气孔闭合度增加及抗旱的表型。基因芯片分析表明cau1突变体中CAS基因的表达量显著增加，而CAS作为胞外钙信号途径中一个重要的调节因子，对于同步胞外钙浓度变化和胞内钙振荡起着不可或缺的作用。进一步的研究表明CAU1编码一个H4R3sme2类型的组蛋白甲基化酶，其通过与CAS的启动子区结合，调节CAS启动子区的组蛋白甲基化程度及CAS的表达量。当胞外钙浓度增加时，CAU1蛋白水平下降，结合到CAS启动子的CAU1分子数减少，使得CAS组蛋白的甲基化程度降低并解除对CAS基因表达的抑制，提高其表达量并导致气孔关闭。气孔关闭使得蒸腾速率，钙向地上部位的转移以及保卫细胞外的钙浓度得到降低。这种反馈循环调控使得植物能够根据环境变化，动态调控气孔运动并保持体内的水分平衡，对于培育节水抗旱植物具有潜在应用价值。

该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院及上海生科院的经费支持。（龚继明供稿）