番茄Ca2+/H+转运蛋白对钙离子分配与转运的调控机制及对生理失调的影响

Calcium (Ca2+) is an essential nutrient for plants and a central regulator for many aspects of plant growth, development as well as response to a variety of biotic and abiotic stresses. Thus, calcium deficiency can lead to sever symptoms for many horticultural crops, including tomatoes. Calcium deficiency in tomato plants can cause necrosis and blossom-end rot (BER), a common tomato physiology disorder that severely affects the yields. Unfortunately, few mechanistic insights have been made to address the roles of calcium in the tomato physiology disorder. Based on our previous studies, we proposed that the calcium homeostasis in tomatoes is the key to regulate BER. Therefore, we aim at understanding the regulatory mechanisms of CAX to calcium distribution and homeostasis as well as how this determines tomato physiology disorder by taking advantages of the CRISPR-Cas9 genome editing, calcium imaging, and proteomics techniques. The findings will explore our knowledge regarding the regulation of tomato calcium distribution and homeostasis and will be translated into agricultural applications, such as increasing calcium utilizing efficiency, controlling physiology disorders, and reducing BER incidence.

钙是植物必须的营养元素，在植物生长发育和应对环境胁迫处于中心调控地位。因此钙素缺失会对很多园艺作物，尤其是番茄等经济作物产生严重影响。番茄缺钙不但会在幼苗时期引起颈尖坏死并且能够诱发果实脐腐病等生理失调症状，从而导致大量经济损失。针对番茄钙离子对生理失调的影响机理研究薄弱的突出问题，在总结前期研究结果的基础上提出由钙离子分配调控不当所导致的生理性缺钙是导致番茄果实生理失调及脐腐病的关键因素。本研究将钙离子转运与分配的调控机制及其对生理失调的影响作为主要研究内容，以番茄钙离子分配的重要调控原件—Ca2+/H+转运蛋白CAX为切入点，结合运用 CRISPR-Cas9基因编辑技术、钙离子报告蛋白成像技术以及蛋白组学技术对钙离子的分配与转运调控机制，及其对番茄生理失调的影响机理进行系统研究。本研究将拓展现有对番茄钙离子调控机制的认知，为高效利用钙肥, 控制生理失调，降低脐腐病发病率提供技术支撑和理

钙是植物必须的营养元素，番茄缺钙会引起茎尖坏死以及诱发果实脐腐病等生理病变。我们在总结前期研究结果的基础上提出由钙离子分配失衡所导致的生理性缺钙是生理病变的主要诱因。但番茄钙离子分配调控的生理和分子机制仍有待解析。本研究发现Ca2+/H+转运蛋白CAXs对番茄钙离子分配及生理病变起重要的调控作用。首先，系统发育树分析结果表明，番茄中有6个CAX基因，分别命名为SlCAX1-6。qRT-PCR结果表明，SlCAX1,3主要在叶片中表达，SlCAX2,4,5主要在番茄果实中表达，而SlCAX6基因只在未成熟花序表达。酵母突变体互补实验结果表明，只有去掉N端抑制域的SlsCAX1,以及SlCAX4,5具有转运钙离子的功能。此外，SlCAX4,5还具备转运Mn2+的功能。利用CRISPR-Cas9技术，我们将SlCAX1-5这五个基因敲除。表型分析数据以及离子浓度测量数据表明番茄CAX基因在植株体内调控钙离子吸收与转运，并影响生理失调症状。此外，我们构建了pSlCAX1::SlCAX1- YFP-SBP融合表达载体，并在番茄植株中稳定表达。利用共聚焦显微镜分析，我们发现该蛋白定位在液泡膜上。通过免疫共沉淀及质谱分析技术，找到与SlCAX1互作的蛋白，这些蛋白对钙离子转运具有潜在的调控功能。本研究揭示了CAX调控的番茄钙离子转运与分配的调控机制，阐明了钙离子转运与分配对番茄生理失调的影响，探索了钙离子转运蛋白活性的调控机理。本研究为高效利用钙肥, 控制生理病变，降低脐腐病发病率提供技术支撑和理论依据。