膜联蛋白LpANN5通过钙信号通路增强多年生黑麦草抗旱耐盐性的分子机制研究

本研究针对多年生黑麦草(Lolium perenne)在干旱和盐胁迫下生长受限的农业难题，首次鉴定出膜联蛋白家族成员LpANN5通过调控钙离子(Ca2+)跨膜转运和胞内信号传导，显著提升植物抗旱耐盐性。研究人员通过转基因技术构建LpANN5过表达和RNA干扰株系，结合生理指标测定和钙成像技术，揭示LpANN5通过促进气孔关闭、降低活性氧积累等机制增强胁迫耐受性，为牧草抗逆育种提供新靶点。

　　

论文解读

在全球气候变化加剧的背景下，干旱和土壤盐渍化已成为制约农业生产的两大非生物胁迫因素。作为优质牧草和草坪植物的多年生黑麦草(Lolium perenne)，其生长质量和生物量受干旱和盐胁迫影响尤为显著。尽管植物已进化出复杂的胁迫响应机制，但关于其关键调控因子——膜联蛋白(Annexin, ANN)家族在抗逆中的作用仍知之甚少。这类能形成Ca²⁺通透性通道的保守蛋白，如何通过钙信号网络协调植物胁迫应答，成为亟待破解的科学问题。

为揭示这一机制，中国的研究团队在《Horticultural Plant Journal》发表重要成果。研究人员首先通过转录组分析锁定受干旱和盐双重诱导的LpANN5基因，其编码蛋白含有四个典型膜联蛋白结构域，与苜蓿MsANN2同源性最高。利用农杆菌介导的遗传转化技术，团队构建了LpANN5过表达(OE)和RNA干扰(RNAi)的拟南芥及多年生黑麦草转基因株系，结合亚细胞定位、qRT-PCR、生理表型分析、气孔运动观测和钙离子荧光成像等技术，系统解析了LpANN5的功能。

3.1 LpANN5的分子特征
研究发现LpANN5在叶片中高表达，其转录水平受干旱和盐胁迫显著上调。亚细胞定位显示LpANN5定位于质膜和细胞质，符合其作为Ca²⁺转运蛋白的特性。系统发育分析表明其与豆科植物ANN成员亲缘关系最近，暗示功能保守性。

3.2 转基因植物的抗逆表型
在拟南芥中，LpANN5-OE株系在甘露醇和NaCl处理下发芽率和存活率显著高于野生型(WT)，而RNAi株系则表现敏感。多年生黑麦草中，OE株系干旱45天后复水存活率提高15-20%，相对含水量(RWC)维持53-56%，电解质渗漏(EL)和丙二醛(MDA)含量显著降低；盐胁迫下OE株系叶绿素含量更高，活性氧(H₂O₂和O₂^.-)积累减少。相反，RNAi株系呈现胁迫敏感表型。

3.3 钙信号调控机制
通过表达Ca²⁺指示剂AEQUORIN的转基因植株，发现LpANN5-OE在胁迫下能引发更强的胞质Ca²⁺([Ca²⁺]_cyt)信号。当添加钙通道抑制剂LaCl₃后，OE株系的抗逆优势消失，证实其功能依赖Ca²⁺信号。

3.4 气孔运动调控
干旱条件下，LpANN5-OE株系气孔关闭比例增加，叶片失水率降低2倍，而RNAi株系气孔开度增大。这表明LpANN5通过调控保卫细胞Ca²⁺振荡影响气孔运动，可能是其抗旱的重要机制。

这项研究首次阐明多年生黑麦草LpANN5通过"Ca²⁺通道-气孔调控-活性氧平衡"的多层次网络增强抗逆性。其创新性在于：①发现ANN成员在单子叶牧草中的新功能；②揭示钙信号与气孔运动的直接关联；③提供可应用于牧草分子育种的候选基因。该成果不仅为植物抗逆机理研究增添新认识，也为培育抗旱耐盐牧草品种提供了理论依据和生物技术手段。未来研究可进一步解析LpANN5与下游钙依赖蛋白激酶(CPK)等效应分子的互作网络，推动抗逆育种走向精准设计。