本实验室以模式植物拟南芥为材料，研究植物对矿质养分贫瘠响应和适应的分子机制。本论文由两个相对独立的课题组成:一方面通过突变体筛选比较深入的研究了RHD3基因在低氮诱导花青素过量积累过程中的分子功能;另一方面结合对活体细胞内细胞质Ca浓度的动态检测和基因表达谱芯片技术，对植物感应低Ca环境的细胞和分子生物学机制进行了初探。　　(1)本研究筛选到一株在低氮条件下过量积累花青素的、隐性单基因突变体，表现主根短，根毛短而弯曲和植株矮小的表型。结合图位克隆与以二代测序技术为基础的DNA多态性分析，确定突变基因为ROOT HAIR DEFECTIVE3(RHD3)，突变位点为第16个内含子的最后一个碱基，导致RNA剪接错误，命名为rhd3-10，其所有表型同已知的rhd3-1以及rhd3-10/rhd3-1杂交F1代植物完全一致，证明我们观察到的表型确实为RHD3基因突变造成。RHD3定位于内质网，基因启动子活性集中在叶子和根尖。在rhd3-10突变体体内引入花青素合成关键基因TT4的突变，完全阻断在低氮条件下rhd3-10过量积累花青素的表型。　　在低氮条件下，rhd3-10相对于野生型植物(Col)，体内花青素合成相关基因表达上调，花青素含量过量积累。证明在Col植物体内，RHD3是低氮诱导花青素积累的负调控因子。乙烯是高光强诱导花青素积累的负调控因子。我们假设RHD3通过介导乙烯途径间接负调控花青素积累。该假设得到如下四个结果的支持:(a) RHD3基因突变部分阻断低氮对乙烯反应基因表达的诱导;(b)在低氮条件下，乙烯信号转导阻断突变体，etr1、ein2、ein3/eil1表现出过量积累花青素的表型;而乙烯过量产生突变体eto1则表现出花青素积累显著降低的表型。这证明，乙烯是低氮诱导花青素积累的负调控因子;(c)对于Col，乙烯合成前体ACC强烈抑制低氮诱导的花青素积累;对于乙烯信号转导阻断突变体和rhd3-10， ACC的这种抑制作用显著降低;(d)在乙烯过量产生突变体eto1体内进一步突变RHD3基因可以显著提高突变体花青素的积累。尽管RHD3和ETR1，EIN2和CTR1都位于或同内质网关联，但是通过酵母双杂交实验没有发现RHD3的N和C端同ETR1，EIN2和CTR1相互作用。RHD3调节乙烯信号转导的分子机制还需要进一步研究。　　(2)生态学证据表明，酸雨导致全球范围土壤中Ca含量降低。植物应对低Ca的分子和细胞学机制未知。本研究发现低Ca环境诱导大量基因表达发生显著变化，其中很多基因是以前证明参与植物响应其他逆境信号的基因。一类编码细胞质Ca2+([Ca2+]cyt)感知蛋白的基因显著上调，我们假设[Ca2+]cyt参与植物细胞感应外界低Ca环境。研究证实，降低细胞外Ca2+浓度([Ca2+]ext)确实会激发[Ca2+]cyt瞬时升高，而且[Ca2+]cyt升高的峰值与[Ca2+]ext降低的程度呈正相关。通过提高细胞外K+浓度使细胞质膜电势相对去极化，显著抑制[Ca2+]ext降低对[Ca2+]cyt的诱导作用，说明Ca2+可能通过受膜电势调节的Ca通道进入细胞内。Gd3+，一个Ca2+通道抑制剂确实强烈抑制这个反应。　　动物细胞质膜存在对细胞外低Ca感知的受体蛋白。受体调节的信号事件经常表现脱敏现象:细胞在对第一次信号刺激作出反应以后，需要一段时间的恢复才能对连续的第二次同样信号刺激作出反应。我们发现植物细胞对低Ca的反应有显著的时间依赖性的脱敏现象，但是对动物细胞Ca感知蛋白拮抗剂不敏感。磷脂酶C拮抗剂neomycin可以抑制细胞外低Ca对[Ca2+]cyt的诱导作用。进一步研究发现，当用Ca2+通道抑制剂Gd3+抑制低Ca引起的[Ca2+]cyt升高以后，可以抑制一部分低Ca诱导的下游基因表达，这说明植物细胞对低Ca环境在基因表达层面的响应有依赖[Ca2+]cyt和不依赖[Ca2+]cyt两条途径。　　综上所述，本研究一方面在植物响应低氮逆境方面鉴定到RHD3基因的新功能，并进一步证明RHD3通过调节乙烯信号转导通路实现对花青素合成的负调控功能。另一方面，本研究建立了植物响应低钙的基本细胞和基因转录机理。为实验室进一步研究植物响应矿质营养贫瘠信号奠定了基础。