玉米气孔保卫细胞质膜慢阴离子通道的鉴定、功能研究及耐旱玉米株系的培育

Maize is one of the main crops in China, and sensitive to drought stress because of its whisker roots. Therefore, drought is one of the main environmental stresses to reduce the yield of maize. Plants lose water mainly through stomata, stomatal movements regulate the rate of water loss directly, and the ion flux mediated by ion channels through guard cell plasma membrane is the main source of driving force for stomatal movements in which S-type anion channel is the universal target and key player for multiple stimulli and phytohormone signaling pathways. Therefore, to identify the maize guard cell S-type anion channel genes ZmSLAC1 and clarify its regulation mechanisms will provide a key to understand the signaling network of maize stomatal movements. In this reseach, we will identify and isolate the maize homologue(ZmSLAC1) of Arabidopsis SLAC1, investigate its activity regulation mechanisms, modify its constitutional activity by point mutations, and generate transgenic maize lines which show improved droght tolerance. In our preliminary experiments, we identified a few putative ZmSLAC1 genes by sequence comparison and analysis, and sucessfully recorded the activity of anion channels in oocytes expressing the putative ZmSLAC1 genes using voltage clamp techinque, indicating that this research proposal is promising.

玉米是我国主要的粮食作物之一，因其须状根的特点决定了其不耐旱的特性，使干旱成为影响玉米产量的主要逆境因子之一。气孔是植物散失水分的主要渠道，气孔的开闭运动直接控制植物水分散失的速度，而质膜离子通道及其介导的快速跨膜离子流动是气孔运动的主要驱动力。其中，慢阴离子通道（S-type）是诱导气孔关闭的多种信号传递途径的共同下游关键功能蛋白。因此，鉴定玉米气孔保卫细胞慢阴离子通道基因和阐明其活性调控机理是理解其耐旱机制的关键。本研究拟鉴定玉米气孔保卫细胞慢阴离子通道基因，阐明其蛋白活性调控机理，并通过定点突变人为改变其组成型活性和转基因相结合的方法，构建和培育气孔组成型部分关闭和显著耐旱节水的玉米株系。通过比对拟南芥和玉米的基因序列，我们已经在玉米基因组中发现了多个拟南芥SLAC1的同源基因，并运用电生理技术成功检测到了其阴离子通道活性，表明该项目具有良好的可行性。

按照项目计划书的设定，本项目旨在鉴定重要作物玉米的气孔保卫细胞质膜阴离子通道ZmSLAC1的编码基因，并详细分析ZmSLAC1的功能和特性，为深入研究玉米抗旱的分子机制提供科学理论支持和基因资源。我们通过与AtSLAC1进行同源序列比对和蛋白结构分析等生物信息学的方法，鉴定得到玉米气孔中的慢阴离子通道的候选基因ZmSLAC1；qRT-PCR结果显示ZmSLAC1在玉米叶片表皮条细胞中高表达；亚细胞定位结果显示ZmSLAC1特异定位于细胞质膜上；zmslac1突变体对干旱胁迫超敏感，其叶片蒸腾失水速率明显高于野生型玉米，并且对CO2、ABA、H2O2以及黑暗等诱导气孔关闭信号不敏感；电压钳等结果显示ZmSLAC1能够被蛋白激酶AtOST1和ZmOST1磷酸化并激活，并具有特异通透NO3-的通道特性；ZmSLAC1能够回复atslac1突变体的干旱敏感和气孔运动表型及气孔保卫细胞质膜外向NO3-电流。这些结果表明，我们成功鉴定出了玉米气孔保卫细胞质膜慢阴离子通道ZmSLAC1，并发现其为NO3-选择性的质膜阴离子通道。本项目基本完成了项目任务书中设定的研究内容。