OsHKT基因家族的生理功能研究

High-affinity K+ Transporters (HKT) mediate sodium uptake and transport in plant, and have an important role in plant tolerance to stress conditions. Rice variety Nipponbare has seven HKT family members. The SKC1/OsHKT1;5 transporter improves salt tolerance by unloading Na+ from the xylem under NaCl stress and OsHKT2;1 enhances growth of rice under K+ starvation conditions by mediating Na+ influx into roots. Other five HKT members are sodium-selective uniporters or sodium-potassium symporters, but their in vivo functions in rice remain unknown. We have isolated Tos17 insertion lines or RNAi plants to be used for functional analysis under high salt or K+-starved conditions. In this study, we will determine the physiological roles of one to two OsHKT transporters in rice. Furthermore, we will identify natural variation in these transporters contributing to the enhanced capacity of stress tolerance via sequencing natural rice varieties and electrophysiological analysis. The functional characterization of OsHKT family will provides insight into the mechanism of plant abiotic stress and is a potential tool for improving stress tolerance in crops.

高等植物的HKT基因家族参与钠离子的吸收和转运，在植物的抗逆过程中发挥重要作用。水稻品种日本晴的基因组中存在7个正常的OsHKT基因。已知SKC1/OsHKT1;5在盐胁迫时从木质部卸载Na+，提高水稻的耐盐性；OsHKT2;1在钾饥饿时从土壤中吸收Na+，以Na+替代K+行使功能，维持植物生长。其他5个OsHKT基因编码Na+转运蛋白或K+/Na+同向转运蛋白，但是在植物体内的功能仍然未知。本项目拟采用遗传学、生理学、分子生物学等方法，以这5个基因的Tos17插入突变体或RNAi植株为材料开展基因功能研究，以期深入阐明1～2个OsHKT基因在盐胁迫或钾饥饿条件下的生理功能和作用机理。通过对自然变异基因的功能分析，寻找有利于提高抗逆性的自然变异基因，为水稻等重要粮食作物的抗逆育种提供有应用价值的新基因。

HKT类蛋白通常被认为是Na+转运蛋白或K+/Na+同向转运蛋白，通过调节Na+、K+的吸收、转运和积累，提高植物耐受高Na+、低K+等胁迫的能力。粳稻日本晴的基因组中存在7个OsHKT基因。已知SKC1/OsHKT1;5在盐胁迫时能卸载木质部中的Na+从而提高耐盐性，OsHKT2;1在钾缺乏时能促进根部吸收Na+从而增强耐受钾饥饿的能力，而其它5个OsHKT基因的功能未知。.为了研究这些基因的功能，我们索取了OsHKT1;1、OsHKT1;4、OsHKT2;3、OsHKT2;4的Tos17插入突变体，并且构建了OsHKT1;3的RNAi植株。在正常、盐胁迫以及钾缺乏条件下，Tos17插入突变体和RNAi植株的表型与野生型没有明显的差异，地上部和根部的Na+和K+含量也没有变化。由于OsHKT2;3与OsHKT2;4的蛋白同源性达95%，我们还构建了oshkt2;3oshkt2;4双突变体进行上述分析，也没有发现明显的差异。我们推测，上述结果既可能是由于OsHKT之间以及OsHKT与其他类型的离子转运蛋白之间存在功能冗余造成的，也可能是由于OsHKT的功能在水稻进化过程中出现了分化。.进一步的研究发现，带有潮霉素抗性基因的OsHKT1;3 RNAi植株在施加潮霉素的条件下生长受到明显的抑制，地上部的Na+含量显著增加，K+含量显著降低。添加10 mM Na+或者10 mM K+都可以使生长受抑制的表型得到部分恢复。.我们构建了水稻和拟南芥的OsHKT2;4过表达植株。水稻过表达植株的株高略低于对照，但是我们没有检测到Na+、K+、Ca2+、Mg2+等离子含量的差异；在盐胁迫条件下，过表达植株的耐盐性与对照没有显著差异。OsHKT2;4表达量低的拟南芥过表达植株与对照没有差异，但是表达量高的拟南芥植株除了生长受到抑制，离子含量也发生了改变，植株中Na+含量升高，Ca2+和Mg2+的含量降低。这说明OsHKT2;4改变了拟南芥中单价和二价阳离子的分布。.为了分析OsHKT2;4基因在水稻中的进化和变异，我们测定了二百多个亚洲野生稻和栽培稻品种中OsHKT2;4基因的编码区序列，比较了各种自然变异的OsHKT2;4蛋白之间离子转运性质的差异，确定了影响离子转运活性的变异氨基酸位点，明确了OsHKT2;4基因在野生稻、粳稻、籼稻中的演变过程。