拟南芥离子转运体NRT1.5调控低钾胁迫下主根生长的分子机制研究

Root growth plasticity is indispensable for plant adapting to low potassium stress, however the molecular mechanism of root growth regulation under low potassium stress remains unclear. Previous work has found a new type transporter NRT1.5, which functions as a NO3-/H+/K+ transporter, and the primary root of mutant plant continued growing on LK (low potassium) medium, suggesting that NRT1.5 may be involved in the regulation of root growth plasticity under low potassium stress. Based on this result, the following works will be carried out: (1) analysis the physiological function of NRT1.5 in regulating root growth under low potassium stress; (2) combined with the approaches for physiology and cell biology, prove that auxin signaling involved in NRT1.5-mediated root growth regulation; (3) validate the function of NRT1.5 in facilitating auxin transport or affecting the polar transport of auxin; (4) analysis the indirect molecular mechanism of NRT1.5 on the synthesis or polar transport of auxin. The prospective results of this project would provide the theory and methods for the genetic modification of the fitness of plants to low potassium stress in the future.

植物根系的可塑性生长是适应低钾胁迫的重要手段，但是低钾胁迫下植物根系生长发育的分子调控机制尚未研究清楚。申请人前期在拟南芥中发现一个新颖的离子转运体NRT1.5，不仅同时具有NO3-/H+/K+转运活性，而且其功能缺失突变体在低钾胁迫条件下表现出主根持续生长，暗示NRT1.5可能参与调控响应低钾胁迫的主根可塑性生长。本研究基于此，拟展开如下工作：(1)利用nrt1.5、lks2等材料，深入分析NRT1.5在调控低钾胁迫下主根生长的具体生理功能；(2)结合植物生理学和细胞生物学实验方法，证实NRT1.5调控主根生长是否依赖于生长素信号途径；(3)在酵母等异源表达系统中，证实NRT1.5能否直接转运生长素或者影响生长素的极性运输；(4)在分子水平上检测NRT1.5是否通过间接作用影响生长素的合成或者极性运输。此项研究的预期成果，可能为提高植物应对低钾胁迫的能力提供理论基础和实验依据。

植物根系生长受外界环境因素和体内激素协同调控。植物根系的可塑性生长是植物适应低钾胁迫的重要手段。本研究围绕植物激素调控低钾胁迫下拟南芥主根生长以及离体叶片根再生的分子机制展开以下研究。1）申请人前期发现了离子转运体NRT1.5不仅具有转运NO3-的活性，还具有转运K+的活性，并且其突变体在低钾条件下主根具有持续生长的表型。为了探究NRT1.5调控植物适应低钾胁迫过程中根系可塑性生长的分子机制，本项目利用NRT1.5相关材料在LK以及添加不同浓度生长素类似物NAA的条件下检测nrt1.5主根生长的表型，生理实验结果证实了NRT1.5在调控低钾胁迫下拟南芥主根生长过程中发挥着重要作用，并且NRT1.5负向调控拟南芥主根的生长。细胞学实验方法探究NRT1.5调控低钾胁迫下主根生长的细胞学基础，显示NRT1.5调控生长素转运蛋白PIN2的积累，调节生长素在主根的分配。2）生理学实验和细胞学实验证据都证实了低浓度的MeJA（0.5-1 nM）促进低钾胁迫下拟南芥主根的生长，并且MeJA主要调控低钾胁迫下生长素在主根的分布调控主根的生长。3）通过生理学实验证实了乙烯以及其信号转导关键转录因子EIN3抑制离体叶片根再生；通过分子生物学和生物化学实验证实了EIN3直接结合在转录因子WOX11和WOX5的启动子区并抑制其表达。本研究的完成有助于加深对根可塑性生长调控机制的认识。