HCN诱导的植物耐盐性机理研究

Hydrogen cyanide (HCN) is a small gaseous molecule, one of by-products of ethylene synthesis in plants. However, HCN has been regarded as “waste” to be harmful to plant cells due to its toxic effect on living organisms, whose studies on the physiological function and molecular mechanism of HCN-induced plant stress tolerance were not paid enough attention. Our previous data showed that the exogenous cyanide application at lower concentration significantly enhanced the adaptability of plant response to salt stress, while the regulatory mechanism is still unknown. Therefore, in the present proposal, RNA-seq analysis will be firstly conducted to reveal the HCN-induced gene expression in Arabidopsis, and salt stress related key genes will be screened and identified. Secondly, transgenic plants with over-expression or suppression of cyanoalanine synthase (CAS) will be created and the effects of changes in endogenous HCN levels (more or less) on plant resistance to salt stress will be investigated. In addition, HCN metabolism and ethylene synthesis pathway will be further explored to elucidate the relationships between HCN and ethylene during plant salt stress tolerance. This study will not only shed light on uncovering the physiological and molecular mechanism of HCN-induced salt stress tolerance but also bring new insights into clarifying the stress response mechanism in plant.

氰化氢（HCN）是植物乙烯合成过程中的副产物之一，产量几乎与乙烯相当。尽管如此，HCN一直被视为植物细胞内有毒有害的“废品”，对其能增强植物抗逆性的生理功能乃至机理的研究少有报道。申请者的前期研究发现，外施低浓度的HCN能显著增强植物应对盐碱等非生物逆境胁迫的耐受能力，但其调控机制尚不清楚。为阐明这一重要生物学现象的分子机理，本项目拟首先利用RNA-seq技术，从转录组水平筛选、鉴定外施HCN诱导拟南芥产生抗盐性应答的基因群。其次，通过创建CAS合酶基因（HCN代谢酶基因）超表达和沉默植株，分析内源调节HCN含量（少或多）对拟南芥耐盐胁迫响应的影响。在此基础上，进一步调节HCN代谢及乙烯合成通路，探讨HCN诱导的抗盐性与乙烯之间的关系。本项目的研究结论不仅有助于揭示HCN在植物逆境应答过程中的生理、生化及分子生物学功能，也可为进一步开展植物逆境响应机制的研究开拓一个新的切入点。

氰化氢（HCN）是一种无色的气体小分子物质，以其“毒性”特点早在19世纪初就被人们所熟知。HCN也是植物乙烯合成过程中的副产物之一，与乙烯等摩尔量产生。乙烯作为植物体内重要的激素之一，其功能研究早已成为国内外研究的焦点。相反，HCN的功能却鲜为人知，国内外研究报道也较少。通过本项目的资助，我们采用RNA-seq技术重点开展了HCN和乙烯处理对拟南芥基因表达调控的影响，并比较两者调控表达差异。研究结果表明，HCN参与调控了细胞内大量基因的表达，涉及到植物抗逆，生长发育等。通过差异基因表达分析，我们发现有6719个基因受HCN调控，5230个基因受乙烯调控，表明HCN是细胞内重要的信号分子。此外，HCN和乙烯共同调节2倍以上的基因474个，HCN单独调节2倍以上基因达831个，而被乙烯单独调节2倍以上的基因为444个，表明HCN和乙烯不仅可同时产生，也可能共同参与了细胞内的代谢调节。进一步分析HCN单独调节基因功能发现，HCN在激素水平及代谢水平调节了大量与胁迫响应相关基因的表达且与其它激素间存在着直接或间接关系。值得注意的是，HCN上调10倍以上基因有7个，我们对这些关键基因进行了功能分析与验证，为阐明HCN的功能及作用机理奠定了基础。此外，我们克隆了HCN代谢关键酶CAS家族基因，并通过原核表达、免疫反应等手段获得了效价较高的多克隆抗体。同时，通过构建CAS家族基因超表达及沉默表达载体，通过转基因方式研究发现CAS超表达（降低HCN在细胞内含量）更有利于植物对非生物逆境环境的适应，而CAS沉默（增加HCN在细胞内含量）植株的抗性弱于普通植株，表明HCN更多在低浓度时发挥作用。值得注意的是，正常情况下CAS沉默植株与野生型植株在生长状态方面没有显著差别，而CAS沉默植株对真菌和病毒的抵抗力却显著增强。这些研究成果进一步表明HCN在低浓度时能增加植物对非生物逆境的适应，而较高浓度时能促进植物对生物胁迫的防御能力。总之，本项目研究圆满完成了各项任务，同时也获得了一些新的信息，为今后的研究提供了新的思路。