活性氧相关基因AtODS1在拟南芥缺氧应答反应中的功能研究

活性氧（ROS）在植物应答缺氧胁迫反应中起重要作用，但其产生和作用的分子机制目前尚不清楚。我们通过筛选拟南芥T-DNA突变体，获得一个缺氧敏感突变体atods1，初步分析表明，AtODS1是一种产生ROS的酶，其产生的ROS参与植物缺氧信号转导。本项目拟以拟南芥atods1、转基因植物以及其它缺氧信号转导相关突变体为材料，一方面通过分析缺氧胁迫下各种材料乙醇脱氢酶基因表达和酶活性、GUS活性、Ca2+和H2O2水平以及相关基因表达等的变化差异，阐明AtODS1产生的ROS在植物缺氧信号转导途径中的地位、与其它信号成分作用的机制以及调控的下游目标，另一方面通过研究缺氧胁迫下AtODS1的表达、酶活性以及胞质ATP含量等的变化规律，鉴定AtODS1与植物缺氧信号感受的关系，进而构建ROS依赖的植物缺氧信号转导机制新模式，为揭示植物适应和抵抗缺氧胁迫分子机理以及提高植物抗涝性奠定理论基础。

缺氧和洪涝灾害是限制植物生长、降低作物产量和品质的重要环境因子。植物能够感受和传递缺氧信号，对胁迫做出应答。以前的研究表明，活性氧（ROS）中的H2O2可作为信号分子介导拟南芥缺氧信号传递，但H2O2的来源目前还不清楚。我们利用产生ROS的AtODS1基因突变体和超表达植物等研究发现，水淹胁迫下，突变体显著比野生型（WT）和超表达植株长势差、成活率低、乙醇脱氢酶（ADH）基因ADH1表达量低、ADH活性小。同时AtODS1在WT植株中的表达受水淹胁迫上调。水淹胁迫下，突变体中H2O2水平明显低于WT和超表达植株，这些结果表明AtODS1产生的ROS作为信号分子调控拟南芥应答水淹胁迫的反应。通过比较水淹胁迫处理前后AtODS1在WT与小G蛋白ROP2基因突变体中的表达及ROP2在WT与atods1中表达的差异，证明AtODS1可能位于ROP2下游。另外，通过分析AtODS1及其同源基因AtODS2突变体在低氧胁迫下的表型和一些生长相关指标，证明AtODS1和AtODS2在拟南芥适应低氧胁迫反应中起重要作用。AtODS1和AtODS2的表达均受低氧诱导，这两个基因的缺失使低氧导致的ADH1和丙酮酸脱羧酶基因PDC1表达以及ADH 活性的增加受到破坏；这两个基因的双突变体中，低氧诱导的H2O2的产生也受到抑制，表明AtODS1和AtODS2产生的H2O2作为信号分子在低氧胁迫应答反应中起作用。通过比较低氧胁迫处理前后ROP2在WT与atods1a/2a及atods1b/2b中的表达以及AtODS1和AtODS2在WT与ROP2突变体中的表达差异，证明AtODS1和AtODS2在缺氧信号转导中可能位于ROP2下游。此外，通过比较低氧胁迫前后WT与atods1a/2a及atods1b/2b中一些缺氧胁迫相关基因表达的变化，发现AtODS1和AtODS2主要通过调控转录因子基因ERF73、MYB2、HSFA2、热激蛋白基因HSP18.2、蔗糖合成酶基因SUS1、SUS4和乳酸脱氢酶基因LDH的表达，而非通过调控转录因子基因RAP2,2的表达应答低氧胁迫反应。这些研究结果将为人们深入了解ROS信号调控植物应答低氧胁迫反应机理，进而为培育耐低氧作物新品种打下了基础。