Ca2+与脱落酸对植物质子泵应答酸雨胁迫的调控机理

Crop yield in China is increasingly affected by acid rain. It is still not foreseeable that the source of acid rain will be controlled within middle-long term in China. Therefore, yield of main crops remains seriously challenged by acid rain. In order to improve crop acid-tolerance or to consider chemical measures to reduce the stress, it is necessary to clarify the mechanisms of crops responding to acid-rain stress. Our proposal uses acid-tolerant rice and acid-sensitive rape as model crops under simulated Chinese acid-rain conditions, to study the effect of acid rain on proton pump. We will use some advanced techniques including real time PCR, transmission electron microscopy, laser scanning confocal microscope and patch clamp to study the effect of acid rain on proton pump activity and functions in rice and rape at seedling growth stage. In addition, we also clrarify the adaptation mechnism of proton pump in acid-rain-stressed plants. The expected results will not only clarify the response and regulation of crops responding to acid-rain stress, but also provides theoretical basis to consider chemical measures to effectively control acid rain damage.

酸雨是制约我国农业生产的重要因素之一。面对控制污染源在中长期内不能缓解酸雨对主要农作物产量的严峻现实，通过研究植物对逆境胁迫适应性变化的规律，从而找寻提高作物抗逆性措施，是化控减灾的有效途径之一。本项目选择耐酸性粮食作物水稻与酸敏感性经济作物油菜为研究对象，以中国严峻的酸雨现实为条件，以探讨质子泵适应酸雨机制为目的，以生化分析技术为基础，结合分子生物学方法（RT-PCR）和生物物理化学方法（激光共聚焦扫描电镜、膜片钳等）组合为手段，研究酸雨对幼苗期水稻和油菜质子泵活性与功能的影响，及质子泵活性与植物抗酸能力的关系；从分子与细胞水平揭示质子泵在不同耐酸性植物响应酸雨的作用机制。研究成果为揭示农作物应答酸雨及自身调控的内在机制，也为采取化控减灾的有效途径提供理论依据。

酸雨污染已成为制约农林业生产的主要因素之一。基于防控减污措施在中长期内不能缓解酸雨对农作物产量影响的严峻现实，通过研究植物对酸雨胁迫适应性变化的规律，从而找寻提高作物抗逆性措施，是化控减灾的有效途径之一。本项目选择不同作物水稻和大豆为研究对象，以中国严峻的酸雨现实为条件，以探讨质子泵适应酸雨机制为目的，以生化分析技术为基础，结合分子生物学和生物物理化学方法组合为手段，研究酸雨对不同作物叶片质子泵活性与功能的影响，及外源钙对质子泵活性与植物抗酸能力的关系；从分子与细胞水平揭示质子泵在不同植物响应酸雨的作用机制及外源钙的调控机制。研究成果不仅丰富了农作物应答酸雨胁迫及自身调控的内在机制，也为形成化控减灾的有效途径提供理论依据。主要研究结果归纳如下：(1) 水稻和大豆幼苗相对生长速率、叶绿素含量、质膜稳定性与过氧化程度均随着酸雨强度的下降而降低，但各指标对酸雨的响应阈值不同，响应程度也存在差异。其中，两种作物生长能耐受的酸雨范围为：水稻(pH5.0-3.0)>大豆(pH5.0-3.5)，叶绿素含量能耐受pH5.0-3.0酸雨，质膜能耐受pH5.0-3.5酸雨，能承受pH5.0-3.0酸雨诱发的氧化伤害。由各指标响应程度对比发现，在酸雨（pH4.5-3.0）胁迫下，大豆较水稻敏感。(2) 外源Ca2+增强了水稻幼苗对酸雨的抗逆能力。单一酸雨组与酸雨和外源Ca2+复合组对比发现，外源Ca2+增加了水稻叶片叶绿素含量，促进了水稻幼苗的相对生长，还减缓了细胞的膜脂过氧化程度。其中增强幅度为：10mmol L-1Ca2+处理组> 5mmol L-1Ca2+处理组。(3) 外源Ca2+促使水稻叶片膜脂不饱和脂肪酸含量升高，维持细胞膜结构和功能的稳定性，对质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性的保持与恢复起促进作用。主要表现在：胁迫5天后，pH2.5酸雨与10 mmol L-1 Ca2+复合组质膜H+-ATPase 和Ca2+-ATPase活性低于对照且高于单一酸雨处理组。恢复5天后，pH2.5酸雨与10 mmol L-1 Ca2+复合组胞内H+和Ca2+浓度、质膜H+-ATPase和Ca2+-ATPase活性、不饱和脂肪酸指数低于对照但高于胁迫期及单一酸雨组。由此可见,外源Ca2+能增强植物对酸雨的耐受性，为找到有效减轻植物酸致伤的途径提供理论依据。