第二信使在连接外界环境刺激与植物生理反应之间起重要桥梁作用。胞内第二信使环鸟苷酸(cGMP)和Ca2+是真核和原核生物广泛调控各种生理反应的重要信号分子。结合钙调蛋白(Calmodulin，CaM)的转录活化子(CaM-binding transcription activator，CAMTA)是植物中最重要的受Ca2+/CaM调控的转录因子之一，在植物包括抗病性和非生物胁迫反应在内的众多生物学过程中起至关重要的作用。有关CAMTA的系统产生、进化、互作蛋白网络及其在非寄主抗性和植物与核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）互作中的作用尚不明确。此外，鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase，GC)催化产生多功能重要信号分子cGMP。但GC基因家族的系统鉴定和功能分析尚未得到研究。本研究在基因组水平系统鉴定了36个植物物种的CAMTA基因家族，分析了拟南芥和油菜CAMTA基因的抗病调控功能和机制。此外，鉴定了番茄GC基因家族，并分析了与AtPEPR同源的两个番茄GC基因对抗病性的调控功能和机制。取得的主要结果总结如下:　　(1)陆地植物CAMTA基因家族的基因组水平鉴定和进化分析。从来自四大谱系35个植物物种中鉴定获得200个CAMTA基因。CAMTA基因在多细胞植物中很保守但不存在于单细胞真核生物，并且可能由两个分别编码类似CAMTA的蛋白和包含IQ/CaM结合结构域的蛋白融合而产生。绝大多数鉴定获得的CAMTA拥有CG-1，TIG，ankyrin(ANK) repeat，IQ和CaM结合(CaMB)结构域，它们按N端至C端方向依次排列。大约四分之一的植物CAMTA不含有TIG结构域。这些non-TIG组CAMTA只存在于开花植物，明显是通过该结构域中某些关键氨基酸突变的方式从非开花植物进化而来。鉴定获得的CAMTA蛋白的CaMB结构域含有以下保守基序:[WSRQ]X[VI]X(2)[LVMIY]XKX(2)[LFI]RW[RYLCFHK]X[KR]X(3)[LFIC][RKIVQS]X。系统发育树、蛋白结构域和基序分析结果显示CAMTA蛋白分为三大组九亚组。多数(59.0％和21.5％) CAMTA基因含有12或11个内含子。基因复制，内含子入侵、扩增和周转以及外显子重排和跳转在CAMTA进化中可能均有发生。另外，预测获得了六个拟南芥CAMTA的38个潜在互作因子，并通过表达分析验证了其中AtCAMTA3的10个靶标基因。绝大多数预测的互作因子为转录因子和/或Ca2+/CaM调节蛋白，表明靶标基因的转录调控可能是AtCAMTA的主要作用机制，并且AtCAMTA可能与其它Cd+信号传导因子协同调控Ca2+介导的生物学过程。　　(2)油菜CAMTA基因的功能性鉴定。通过生物信息学的方法，在油菜基因组中鉴定到了18个CAMTA基因，分别来自14条染色体。油菜CAMTA基因家族成员的数量是拟南芥的3倍，是目前为止所有植物中所含CAMTA基因数量最多的。基因结构，蛋白结构域构成以及进化分析表明，所有的BnCAMTAs在结构上很相似，并且像其他物种一样，分为三个大组。BnCAMTA基因启动子上游1.5kb序列包含许多胁迫相关的顺式作用元件，暗示这些基因对胁迫有表达响应。18个油菜BnCAMTA基因中的7个在根、茎、子叶和成叶等所有供试组织中均有表达。大多数BnCAMTA基因受与抗核盘菌相关的植物激素(SA，JA)以及核盘菌（S.sclerotiorum）和其致病因子草酸(OA)诱导表达。尤其是，核盘菌侵染早期显著诱导BnCAMTA3A1和BnCAMTA3 C1的表达，表明这两个基因可能在油菜与核盘菌互作中起重要作用。　　(3)利用Atcamta突变体的功能分析揭示了CAMTA3在对anthomonas oryzae pv.oryzae（Xoo）的非寄主抗性和对S.sclerotiorum的寄主抗性中的作用和机制。Atcamta突变体接种分析表明，与野生型拟南芥以及其他Atcamta突变体相比，Atcamta3突变体植株在接种S.sclerotiorum之后表现出更小的病斑;在接种Xoo之后，呈现更强烈的过敏性坏死，菌量积累明显减少。这些结果表明AtCAMTA3对寄主病原真菌S.sclerotiorum以及非寄主病原细菌Xoo的抗性均起负调控作用。与野生型拟南芥以及其他Atcamta突变体相比，不管是组成性表达还是PAMPs(fig22，chitin)处理之后，Atcamta3突变体植株中的H2O2积累水平都较高，表明AtCAMTA3负调控活性氧的迸发。生物信息学预测显示RBOH-F是CAMTAs的一个潜在靶基因。表达结果表明，RBOH-F在Atcamta3突变体中的表达明显高于野生型以及其他Atcamta突变体。因此，CAMTA3可能通过负调控RBOH-F基因的表达，减少活性氧的积累。此外，Atcamta3突变体与野生型及其他Atcamta突变体中表达情况的比较分析表明，CAMTA3负调控一系列含有CGCG-box的激素信号通路基因的表达，其中包括参与水杨酸(SA)信号通路的CBP60G，EDS1和NDR1，以及茉莉酸(JA)信号通路的JIN1。因此，AtCAMTA3可能通过靶标一系列含有CGCG-box的基因来调控活性氧的积累、水杨酸和茉莉酸信号通路，进而改变植物对Xoo和S.sclerotiorum的抗性。　　(4)番茄GC基因家族的基因组水平鉴定。基于对鸟苷酸环化酶催化中心(GC-CC)保守基序的搜索，在番茄基因组中鉴定得到99个GC候选基因。通过比对这99个番茄GCs的催化中心序列，得到保守基序为([S][FY][G][VI][VIL][LVIFM][LAVM][E][LIT][LIVAM][TSCGI][GSCRDA][RKQLMHI][KR]X(2)[DSGECRIMT])。除了17位氨基酸序列的微小变化外，番茄GCs的保守基序与之前报道的已经过功能验证的拟南芥GC序列基本吻合。系统发育以及结构域/基序组成分析结果显示，番茄GCs与拟南芥高度保守。　　(5)三个番茄GC基因功能的病毒诱导的基因沉默(VIGS)分析。分别单独沉默番茄的AtPEPR同源基因SlGC17和SlGC18之后，植株对S.sclerotiorum的抗性显著减弱，但是对烟草脆裂病毒(TRV)和Pseudomonas syringae pv.tomato(Pst)DC3000的抗性没有明显改变。然而，同时沉默SlGC17和SlGC18之后，植株对这三种病原物的抗性都有显著减弱。该结果表明，SlGC17和SlGC18均正调控对这些病原物的抗性，并且在抗病调控中功能冗余。然而，AtBR11同源基因SlGC6的沉默并不显著改变植物对这些病原物的抗性。令人感兴趣的是，SlGC17和SlGC18的沉默还显著降低了植株中PAMP(fig22，chitin)以及DAMP(AtPep1)诱导的Ca2+和H2O2的积累，表明这两个基因的沉默削弱了这些PAMP和DAMP激发的免疫反应。另外，单独沉默或者共同沉默SlGC17和SlGC18基因显著改变了一系列Ca2+信号传导相关基因的表达，其中包括SlCNGCs，SlCaMs，SlCDPKs和SlCAMTA3基因。综上所述，我们的结果表明，番茄的AtPEPR同源GC基因可能通过改变Ca2+和H2O2的积累以及影响防卫反应相关钙离子信号途径基因的表达，调控番茄对众多病原物的抗性。