CBL基因在甘蔗低K+胁迫响应中的功能与分子机制

Potassium (K+) is one of the essential nutrient elements for plant growth and development. The deficiency of K+ in soil is a limiting element for agricultural production, as well as the production of sugarcane (Saccharum species hybrid L.). Calcineurin B-like proteins (CBL) is a family of plants-specific calcium sensor that involved in plant response to abiotic stresses. Our previous studies have shown that, the transcription of several CBL genes in sugarcane cultivar ROC22 are induced by low-K+ stress. This project will study on the roles of CBL genes in sugarcane responses to low-K+ stress. CBL genes in the ROC22 will be cloned and analyzed. The bioinformatics and expression patterns analysis will be carried out to identify CBL gene(s) that involved in low-K+ responses. The null mutant lines (by CRISPR-Cas9) and shoot-specific silencing lines (by artificial microRNA) will be used for the study of the roles CBL(s) genes in the K+ uptake and transport. The phosphorylation of CBL(s) and proteins that interacts with CBL(s) will be analyzed by mass spectrometry analysis and yeast two-hybrid system, and so on. This study will facilitate the understanding of the roles of CBL gene(s) in sugarcane responses of low-K+ stress.

钾（K+）是植物生长发育所必须的关键矿物元素之一，土壤中K+不足已经成为限制甘蔗等农业生产发展的重要因素。类钙调磷酸酶B亚基蛋白（CBL）是植物特有的一类钙信号识别蛋白，参与植物对多种非生物胁迫的应答反应。我们前期研究发现甘蔗中部分CBL基因表达受低K+胁迫诱导。本研究将探究CBL基因在甘蔗对低K+胁迫响应中的作用和调控机制。以甘蔗栽培种ROC22为材料，克隆CBL基因并进行生物信息学和表达特性分析。挑选可能参与甘蔗低K+信号转导的CBL基因，利用CRISPR-Cas9技术和人工microRNA技术构建其基因敲除和地上组织特异沉默的突变株，探究CBL基因在甘蔗K+摄取和转运中的作用。使用质谱检测和酵母双杂交等技术检测CBL在甘蔗响应低K+胁迫中的磷酸化变化及其蛋白相互作用网络。本研究将有助于阐明CBL基因在甘蔗对低K+胁迫应答中的作用机制。

甘蔗是我国乃至世界范围内重要的糖料和能源作物，在保障食糖供应和生物能源生产方面具有重要作用。作为喜钾作物，甘蔗生长发育过程中需要从土壤中吸收大量的钾。然而我国甘蔗主产区多为有效钾贫瘠的酸性红壤，土壤中有效钾不足严重影响甘蔗的产量和糖分。本项目聚焦一类植物特有的钙信号识别蛋白，类钙调磷酸酶B亚基蛋白（Calcineurin B-like proteins，CBLs），分析鉴定参与甘蔗对低钾胁迫应答的CBL基因并探究其作用机制。按照研究计划，本项目对甘蔗中的CBL基因家族成员进行了系统的鉴定和生物信息学分析，共鉴定到9个SsCBL基因及其等位基因，且发现这些SsCBL基因的启动子区域包含有多个与激素、光和逆境应答相关的顺势作用元件。本研究还鉴定到4个可以靶向SsCBL基因的内源miRNA。通过基因表达分析发现有些SsCBL基因的表达具有明显昼夜节律且受低钾处理调控。进一步研究发现，过表达SsCBL01或SsCBL04均可以增强植株对低钾胁迫的耐受性，SsCBL02 Ser215位点会发生磷酸化且该位点的磷酸化与低钾处理后的SsCBL02蛋白稳定性密切相关。此外，本项目研究还发现甘蔗根组织中钾离子通道蛋白SsHAK2 Ser688位点和CBL互作蛋白激酶SsCIPK23 Thr410位点的磷酸化水平受低钾处理调控，据此推测，SsHAK2和SsCIPK23可能与SsCBLs协同参与甘蔗对低钾胁迫的应答，且其磷酸化位点在该过程中具有重要作用。CBL基因在植物响应低钾胁迫过程中的作用在不同物种中具有保守性，本项目的开展有利于进一步探究作物响应低钾胁迫的分子机理，对于通过分子遗传育种培育钾高效作物品种、保证我国农业产业健康可持续发展具有重要理论指导意义。.在本项目的支持下，我们已经完成项目的主要研究内容，部分研究结果发表在BMC Plant Biology和Frontiers in Plant Science上。此外，申请人在此项目资助下还发掘了参与甘蔗对低钾应答的生长调控因子（GRF）、钙依赖蛋白激酶（CDPK）等功能基因，相关研究结果发表在, BMC Genomics和农业生物技术学报。.总体上，在本项目的支持下，共发表学术论文4篇，培养硕士研究生1名。