拟南芥和水稻中干旱感受器OSCA1家族的功能研究

Environmental drought is detrimental to the production of agriculture, forestry and animal husbandry, as well as plant ecosystems worldwide. To understand the molecular mechanisms underlying plants perceiving drought is fundamentally important to develop high yield corps, forestry trees and forage grasses in our country. In our previous study, we used unique Ca2+ imaging-based unbiased forward genetic screens, isolated Arabidopsis mutants defective in osmotic stress-induced cytosolic Ca2+ increases. One of the mutants, osca1, displays impaired osmotic Ca2+ signaling, and attenuated water transpiration regulation and root growth in response to osmotic stress. OSCA1 is a plasma membrane protein and forms hyperosmolality-gated Ca2+ channels, revealing that OSCA1 is an osmosensor. OSCA1 belongs to a previously unknown gene family with 15 members in Arabidopsis. In this project, we will determine the biophysical properties of OSCA1 channels in vivo and in vitro; define the molecular function of OSCA1 homologs in Ca2+-mediated water-sensing; and examine the physiological function of Arabidopsis and Rice OSCA1 homologs in drought responses using T-DNA insertion mutants and gene expression analysis. In this study, we will apply genetic, cell biological and molecular approaches together with unique Ca2+ imaging and patch clamping to study plants sensing drought. The identification of the OSCA1 family will provide potential genetic targets for engineering drought resistant crops (such as Rice) to improve agricultural production. Therefore, in a long run, this project will be relevant to the sustainable crop production and healthy plant ecosystems in our county with over 1.3 billion people.

干旱是影响全球农林牧业发展及植物生态环境的主要因素。阐明植物抗旱分子机理提高植物抗旱能力已成为我国发展农林牧业及保护植物生态亟急需解决的重大科学问题。通过检测干旱导致胞质内Ca2+浓度上升，我们筛选到拟南芥干旱感受缺陷的突变体，克隆基因OSCA1。通过在HEK细胞中表达分析证明OSCA1编码离子通道，是干旱感受器。本研究以此为基础，利用HEK表达体系和转钙标记基因的植株研究体内体外OSCA1离子通道的电生理学特性；利用HEK表达体系和T-DNA突变体，挖掘拟南芥和水稻OSCA同源基因的渗透感受基因；利用微阵列和RNAseq技术研究OSCA家族对干旱信号传导的影响。本项目将通过遗传、细胞和分子手段以及独特的钙成像、电生理等技术研究植物感受干旱信号的分子机理，为改良农林牧相关的作物、林木提供有效的抗旱基因，以期得到特异抗旱的植物品系(如水稻)，使我国的粮食、生态安全处于国际领先地位。

水对于所有生命体都是至关重要的，特别是植物和农作物。干旱感受器OSCA大家族的发现开辟了一条研究植物感受渗透的道路。本课题通过对osca1突变体的生理生化指标的研究发现，干旱感受器OSCA1不仅对植物短期干旱信号响应起重要作用，同时也在植物对长期干旱和正常给水条件下的适应性（Fitness）方面起着重要作用。以钙成像技术为基础本课题建立了一个新的实验方法由于区分盐胁迫中的渗透效应和离子效应，并利用该方法证明OSCA1是专一的渗透感受器，而不是盐离子感受器；同时该方法在盐感受器（GIPC sphingolipids）的研究方面也提供了有效手段（Nature，2019）。为了研究OSCA1离子通道特性，我们利用酵母双杂交技术和植物体内互作实验筛选到其互作蛋白OSIP1，OSIP1可以反馈调节OSCA1，关闭OSCA1加速胞内钙离子恢复到静息态；利用氨基酸突变改变OSCA1的通道活性，增加通道的导度。这些既有利于从基础上研究干旱感受器的调节和打开机理，又有利于改造通道，为提高作物的抗旱潜力提供有效方法。我们利用RNAseq研究干旱感受器OCA1对下游信号途径的影响，发现osca1突变体在正常情况下就处于干旱胁迫状态，干旱标记基因，就上调表达，如RD29B和RAB18等；而在高渗胁迫下，osca1突变体中干旱响应基因的表达时间滞后和强度也远低于野生型。说明植物感受和传导干旱信号依赖于干旱感受器OSCA1。对水稻OSCA家族的时空表达特异性也做了初步研究。综上所述，本课题从生理生化、感受特异性、离子通道活性、信号传导和基因表达等方面对拟南芥和水稻的干旱感受器OSCA进行了全面而深入地研究，不仅对基础理论有推进，更重要的是为植物抗旱特异性的品种改良提供了扎实的基础，希望可以为国家的粮食安全做些贡献。

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