细胞质膜H+-ATPase在水稻响应酸雨胁迫机制中的作用机理研究

有效减轻酸雨对农林业生产的制约一直是众多研究者的目标。除从源头防控减污外，利用生物学技术增大植物耐污幅成为新的有效防御措施之一。而研究植物体内关键酶或蛋白对逆境的应激适应性是提高植物抗逆性的必要前提。本项目以抗酸雨能力较强的经济作物水稻为研究对象，以中国严峻的酸沉降现实为依据，以质膜H+-ATPase为目标，以生化分析技术、分子生物学方法（RT-PCR，琼脂糖凝胶电泳）、细胞生物学（SEM、TEM、AFM）和生物物理化学方法与酶综合分离测试系统的优化组合为手段；以酸雨对水稻叶片细胞质膜H+-ATPase活性与功能影响、酶活变化的分子机制及酸雨对胞内K+、Ca2+、Mg2+浓度影响与H+-ATPase活性的关系为内容；从分子与细胞水平揭示细胞质膜H+-ATPase在水稻响应酸雨胁迫机制的内在作用机理，从而丰富酸雨伤害植物的机理研究，也为农作物应答酸雨胁迫及自身适应性调控提供新的理论基础。

日益严重的酸雨（Acid rain）已成为制约我国农业生产的重要因素之一。有效减轻酸雨对农林业生产的制约一直是众多研究者的目标。除从源头防控减污外，利用生物学技术增大植物耐污幅成为新的有效防御措施。而研究植物体内关键酶或蛋白对逆境的应激适应性是提高植物抗逆性的必要前提。质膜H+-ATPase被誉为植物的“主宰酶”，在维持细胞质pH、及逆境适应方面处于中心地位。酸雨造成植物细胞外H+浓度增加，那么质膜H+-ATPase维持胞内pH中性及渗透压平衡成为保障细胞生命活动有序进行就是关键。本项目通过交叉学科合作与多种方法学运用，从分子与细胞水平揭示细胞质膜H+-ATPase在水稻响应酸雨胁迫的内在作用机理，从而丰富酸雨伤害植物的机理研究，为农作物应答酸雨胁迫及自身调控的内在机制提供新的思考方向。主要研究结果归纳如下：(1) 酸雨对质膜H+-ATPase活性和功能影响呈现“剂量-效应”关系。pH≥3.5的酸雨引起质膜H+-ATPase活性升高以维持胞内pH稳定，增强植物对酸雨胁迫的适应性。pH≤2.5的酸雨抑制酶活性，胞内pH值降低，细胞内稳态遭到破坏，不可逆伤害发生；(2) 酸雨胁迫下质膜H+-ATPase活性与质膜损伤程度正相关。随酸雨强度增大，二者相关性越强。H2O2大量累积诱发的质膜损伤会影响质膜H+-ATPase活性；(3) 酸雨胁迫下质膜H+-ATPase浓度和同功酶组成的变化是导致其活性变化的直接原因。酸雨胁迫下H+-ATPase活性与浓度正相关。与胁迫期相似，恢复期H+-ATPase活性、浓度和同功酶变化仍受酸雨强度影响，弱酸雨组恢复效果较好；(4) 酸雨影响质膜H+-ATPase基因表达量。酸雨胁迫下水稻质膜H+-ATPase的10个基因（OSA1~10）均表达，但表达量存在差异，基因表达量的上升/下降调节酶浓度的增大/减小, 从而调节植物耐受酸雨胁迫的能力; 在恢复期，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ家族基因的表达量上调使得酶浓度上升，体现了植物自修复能力；(5)酸雨胁迫下质膜H+-ATPase活性受胞内Ca2+与H+浓度调节。pH≥3.5酸雨胁迫下，胞内Ca2+可以通过调控H+-ATPase活性降低胞内H+浓度。pH≤2.5酸雨胁迫下，H+-ATPase活性随着胞内Ca2+严重流失而急剧下降。恢复期H+-ATPase活性随着Ca2+浓度的升高而上升，但恢复程度受酸雨强度限制.