拟南芥LKS1基因响应低钾胁迫的转录调控机制研究

The previous report has indicated that the protein kinase LKS1 (CIPK23) is one of the most important regulators that control the potassium (K+) uptake in Arabidopsis. The transcript of LKS1 gene is induced under low-K+ conditions. The increased LKS1 proteins could enhance the root K+ uptake by activating the K+ channel AKT1, so that the plant tolerance to low-K+ stress is elevated. It is demonstrated that the transcriptional regulation of LKS1 gene plays crucial roles in plant responses to low-K+ stress. The previous work in this lab has isolated a putative transcription factor LTR1 (LKS1 Transcription Regulator 1) by using a high-throughput screening method. LTR1 may be the candidate transcription regulator of LKS1 gene. The purpose of this project are analyzing the transcriptional regulation of LKS1 by LTR1 protein, and elucidating the physiological roles of LTR1 in plant K+ nutrition. The prospective results of this project would provide the theory and approach for the improvement of plant K+ efficiency.

本实验室前期研究发现，蛋白激酶LKS1（CIPK23）是控制拟南芥钾营养吸收最重要的调控因子之一。在植株遭受低钾胁迫时，LKS1基因受到诱导表达，增加的LKS1蛋白可以增强下游钾离子通道蛋白AKT1的钾离子吸收活性，从而提高植株对低钾胁迫的耐受性。LKS1基因的转录调控对于植物抵御低钾胁迫、提高钾营养吸收效率起着非常重要的作用。本实验室前期通过大通量筛选的方法，已经获得一个可能调控LKS1基因转录活性的候选转录因子蛋白LTR1（LKS1 Transcription Regulator 1）。本项目拟综合利用分子生物学、生物化学、电生理学、细胞生物学、分子遗传学等理论与技术方法，分析研究LTR1对LKS1基因的转录调控作用；明确LTR1在植物钾营养调控方面的生理功能；逐步完善植物响应低钾胁迫的转录调控机制，为进一步利用基因工程方法改良植物钾营养性状提供理论基础和实验依据。

钾是植物生长发育所必需的矿质营养元素，维持作物充分的钾营养供给是保证作物高产、优质的基本条件之一。但遗憾的是，我国大面积耕地普遍缺钾，而钾肥供给又严重不足，这极大地制约了我国农业的可持续发展。前期研究表明，利用基因工程方法提高作物本身对钾的吸收利用效率（或称钾养分效率）可能是解决我国农业缺钾，提高农作物产量和品质的重要途径之一。课题组前期研究已经在拟南芥中发现一条控制钾高效吸收的分子调控通路。低钾胁迫下，蛋白激酶基因CIPK23/LKS1转录水平显著升高。通过与钙结合蛋白CBL1/9互作，LKS1直接磷酸化根细胞质膜上的钾离子转运蛋白AKT1和HAK5，从而促进拟南芥在低钾下的钾吸收活性。而过量表达LKS1基因可以显著提高拟南芥对低钾胁迫的耐受性。因此研究LKS1响应低钾胁迫的转录调控机制有可能为改良作物钾养分吸收效率性状提供理论基础。本项目综合利用分子生物学、生物化学、电生理学、细胞生物学、遗传学等理论与技术方法，深入研究了转录因子LTR1对LKS1基因的转录调控机制。酵母单杂交实验、EMSA和ChIP实验证明LTR1可以结合在LKS1启动子区特异的DNA结合元件上。GUS染色和RT-qPCR结果表明，ltr1突变体中LKS1转录水平显著降低，而LTR1过量表达植株中LKS1的转录水平则显著升高，说明LTR1正调控LKS1基因的表达。表型检测发现，在低钾条件下ltr1和lks1突变体都具有冠部发黄的缺钾症状，而两者的过量表达植株均表现出耐受低钾的表型。通过构建遗传材料，我们证明LTR1与LKS1处于同一调控通路，LTR1位于LKS1上游。钾含量测定、钾营养耗竭和根细胞膜片钳实验进一步表明，LTR1通过正向调控LKS1的转录水平从而影响拟南芥根部的钾吸收过程。综上，本研究表明，低钾胁迫后转录因子LTR1被诱导表达升高，LTR1蛋白进入细胞核后结合到LKS1的启动子区并促进其转录。然后，LKS1蛋白磷酸化根细胞质膜上的钾离子转运蛋白AKT1和HAK5，从而促进根细胞从外界吸收钾离子，以应对环境低钾胁迫。本项目的研究成果进一步完善了植物响应低钾胁迫的分子调控网络，并为将来培育具有钾养分高效性状的作物新品种奠定了理论基础。