武汉植物园在Ca2+与H2O2信号调控多年生黑麦草抗盐机制中取得新进展
多年生黑麦草（Lolium perenne L.）是一种广泛应用于温带地区的草坪草兼牧草，可以作为盐碱地开发先锋植物。钙与过氧化氢都是信号转导途径中重要的信使分子，在植物抗逆进程中发挥诸多关键调控作用，但是目前对钙与过氧化氢调控多年生黑麦草耐盐相关分子机制仍知之甚少。
胡涛博士在武汉植物园草业种质资源与分子育种学学科组傅金民研究员的指导下，设计NaCl，NaCl+Ca2+，NaCl-Ca2+，H2O2，H2O2+NaCl，Control六个处理组，对Ca2+和H2O2信号cross-talk调控多年生黑麦草耐盐机制进行了研究。结果表明外源添加7 mM Ca(NO3)2能显著增强草坪质量，降低MDA，EL和H2O2在植株体内富集。外源施加钙离子显著增加了多年生黑麦草叶片和根中Ca2+/Mg2+, 而K+/Na+也显著增高。对6个处理组根部钙信号进行Fluo 3-AM染色观察发现，NaCl+Ca2+钙信号强度最高，NaCl-Ca2+处理组最弱，H2O2+NaCl处理组强于NaCl处理组钙信号。进一步对根部H2O2和O2.进行DAB和NBT观察分析，发现NaCl+Ca2+组中H2O2和O2.富集程度最低，说明钙信号能降低多余H2O2和O2.在根部富集。我们之前的研究（Hu et al，Ecotox Environ Safe，2011）已表明抗氧化酶能增强多年生黑麦草抗盐能力。本研究发现，相对于盐胁迫，外施钙离子组植株中SOD, POD, CAT, APX 4个主要抗氧化酶显著升高。抗氧化酶同工酶及基因表达结果也进一步验证了这一点。进一步研究发现，在NaCl处理组中与H2O2代谢相关的基因CAT 和APX 转录水平显著高于SOD,相同的结果在H2O2和H2O2+NaCl处理组也观察到，说明活性氧ROS平衡能被H2O2信号诱导。结合钙离子调控抗氧化酶结果，我们可以推测钙与过氧化氢可能在维持ROS平衡中存在一共同调控机制。
次生代谢物在植物抗逆进程中发挥有重要作用。我们利用GC-MS技术进一步对钙与过氧化氢信号在多年生黑麦草抗盐机制中的作用进行了研究，发现处理8天后，叶片中糖，糖醇，多元醇，有机酸，脂肪酸和氨基酸6类代谢物总和在NaCl+Ca2+处理组中含量最高，H2O2处理组最低，而根中代谢物总和是NaCl处理组最高，NaCl-Ca2+处理组最低。各处理组中6大代谢物中11个糖和糖醇物质占总代谢物的比例高于66.0%（除H2O2 处理组仅 49.5%）。相对于NaCl处理组，外施加钙离子显著增加了11个糖和糖醇物质，而H2O2处理显著降低了tagatose, idose, glucose, sucrose, cellobiose, psicose and allose (5TMS) BP糖类物质含量。钙和H2O2信号在调控多年生黑麦草代谢物应答盐胁迫进程中起不同调控作用。
该研究获得中非联合中心项目（No. SAJC201325）和国家自然科学基金(No. 31272194 and 31201653)的支持。研究结果以“H2O2 and Ca2+-based signaling and associated ion accumulation, antioxidant systems and secondary metabolism orchestrate the response to NaCl stress in perennial ryegrass”为题，在植物学国际期刊Scientific Reports上在线发表（doi: 10.1038/srep36396）。
图1. 根中Ca2+，H2O2和O2.组织化学分析
图2. Ca2+和H2O2诱导的相关基因转录水平
