拟南芥低钾敏感基因LKS2的克隆及生理功能研究

Potassium (K+) is one of the most important nutrient ions in plant cells and play crucial roles in many physiological processes. K+ deficiency has become one of the common abiotic stresses in natural environment, which inhibits plant growth and reduces production of crops. It has been reported that the properties of plant K+ efficiency are controlled by various functional genes. Modification of these genes could increase plant K+ efficiency and enhance plant tolerance to low K+ stress. Previous work in this lab has isolated an Arabidopsis low-K+-sensitive mutant plant lks2, whose leaves showed chlorotic phenotype under low K+ conditions. The K+ translocation from roots to shoots was also inhibited in lks2 mutant plants. It is hypothesized that LKS2 gene may play crucial roles in K+ uptake and translocation in Arabidopsis. The purposes of this project are cloning and functional characterization of LKS2 gene, elucidating the regulatory mechanism of LKS2 gene in plant K+ uptake and translocation. The prospective results of this project would provide the theory and methods for the genetic modification of plant K+ efficiency in future.

钾是植物生长发育所必须的矿质元素。然而土壤中钾元素的缺乏，已经是目前植物遭受的主要逆境胁迫之一。研究表明，植物的钾营养效率受到多种功能基因的调控。通过遗传手段改造这些基因，可以显著提高植物的钾营养效率、增强植物对低钾胁迫的耐受性。本实验室前期研究工作已经筛选获得一个拟南芥低钾敏感突变体lks2。该突变体在低钾条件下表现出冠部发黄的敏感表型，并且lks2中钾元素从根部到冠部的转运也受到抑制。推测LKS2基因在拟南芥钾营养吸收、转运调控中起到重要作用。本项目拟综合利用植物生理学、生物化学、电生理学、细胞生物学、分子遗传学等多种理论与方法，克隆LKS2基因；分析LKS2的生理功能；阐明LKS2控制拟南芥钾吸收、转运的分子调控机制。此项研究的预期成果，可能为进一步利用基因工程手段改良植物钾营养性状提供理论基础和实验依据。

钾和氮是植物生长发育所必需的矿质营养元素。长期的农业生产实践早已证明，按适当比例施用钾肥和氮肥可以显著提高肥料的吸收利用效率。然而，长久以来植物协同吸收利用钾和氮的分子机制仍不清楚。本实验室前期筛选拟南芥EMS诱变群体获得低钾敏感突变体lks2。图位克隆结果显示，lks2中硝酸根转运体基因NRT1.5/NPF7.3发生突变。低钾移苗实验结果显示，与野生型相比，lks2和nrt1.5突变体表现出冠部提前发黄、根部持续生长的低钾敏感表型。钾离子含量测定结果显示，无论在正常条件还是低钾条件下，nrt1.5、lks2冠部的K+含量都较野生型显著降低，而根部K+含量则较野生型显著升高，说明K+在突变体根部积累而不能被转运至冠部。硝酸根含量测定结果显示，在突变体中NO3-的分布也呈现出根部高冠部低的特点。进一步检测发现，nrt1.5和lks2突变体木质部伤流液中K+和NO3-含量都显著低于野生型，表明NRT1.5参与调控K+和NO3-由根部向冠部协同运输的生理过程。离子依赖性实验结果显示，nrt1.5和lks2突变体冠部发黄的敏感表型只依赖于外界的低钾条件，而并不依赖于外界的NO3-浓度。利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统分析NRT1.5的离子转运功能，结果显示NRT1.5可以直接介导细胞内的K+向细胞外转运，并且NRT1.5向细胞外转运K+的活性依赖于胞外的酸性条件，而不依赖于胞内外的NO3-浓度，说明NRT1.5作为一个H+/K+反向转运体向细胞外转运K+。进一步研究显示，来自玉米和水稻中的NRT1.5同源蛋白都具有外向转运K+的活性。本项目研究结果表明，拟南芥NRT1.5作为一个重要的转运蛋白调控K+和NO3-从木质部薄壁细胞向木质部装载的生理过程。NRT1.5及其同源蛋白可能是植物中一类新的K+转运蛋白，并可能参与调控植物体内K+和NO3-的协同运输过程。本项目的研究结果对于认知植物协同吸收利用钾和氮的分子调控机制具有重要意义，也为将来利用分子遗传手段改良作物钾和氮的养分吸收利用效率提供了重要的理论依据。