一个类钙通道的水稻HKT蛋白的Ca2+吸收及耐盐机制研究

Plant high-affinity K+ transporters (HKT) are critical for plant adaptation to salt-stress. HKT are widely held as sodium-selective uniporters or sodium-potassium symporters. Our recent study shows that one of the rice HKT family member, OsHKT2;4, functions as a Ca2+-permeable cation channel that conducts current carried by a wide range of monovalent and divalent cations. However, molecular mechanisms of Ca2+-uptake and salt-tolerance of OsHKT2;4 remain unknown. We will firstly identify the key amino acid residues controlling Ca2+-uptake of OsHKT2;4 by analyzing single nucleotide polymorphism of OsHKT2;4 and using two-electrodes voltage clamp technique, and further investigate the relationships among Na+-, K+-, and Ca2+-uptake by OsHKT2;4. Moreover, plant molecular genetics, gene mapping, and patch clamp technique will be applied to investigate in vivo physiological functions of OsHKT2;4 in rice. This work will lay the foundation for the potential OsHKT2;4-mediating calcium signaling transduction pathway, and provide theoretic guidance and experimental evidence for molecular breeding to improve salt-tolerance in rice.

植物高亲和K+运送蛋白(HKT)家族对植物适应盐胁迫起着关键的作用。植物HKT家族被认为是Na+单向转运体或Na+-K+同向转运体蛋白。本课题组的前期研究显示一个水稻HKT家族成员OsHKT2;4却还具有类似Ca2+通道吸收离子的功能。但是，目前OsHKT2;4 的Ca2+吸收分子机制及其生理功能仍不清楚。本项目首先通过分析水稻OsHKT2;4单核苷酸多态性和利用双电极电压钳方法确定OsHKT2;4吸收Ca2+的关键氨基酸残基，进而分析Na+、K+、Ca2+吸收之间的关系。我们将进一步采用植物分子遗传、基因定位和膜片钳等技术研究OsHKT2;4 在水稻体内的耐盐机制。该项目的成功实施，将为潜在OsHKT2;4所介导的钙信号传导途径的研究奠定基础，并为水稻分子育种提高耐盐能力提供理论指导与实验依据。

植物高亲和K+运送蛋白(HKT)家族对植物适应盐胁迫起着关键的作用。植物HKT家族被认为是Na+单向转运体或Na+-K+同向转运体蛋白，并相应分类为HKT1s和HKT2s两个家族。水稻品种Oryza sativa ssp. japonica 存在着9个HKT蛋白成员。基于前期所发现OsHKT2;4，除了运送K+、Na+等单价阳离子这个HKT家族蛋白的传统功能外，还能转运Ca2+、Mg2+二价阳离子，表明OsHKT2;4在漫长的进化过程中，发生基因突变并可能进化出新的生理功能。考虑到K+、Na+、Ca2+、Mg2+对植物体生长发育中的重要作用，本项目以OsHKT2;4具有非特异阳离子转运活性的分子基础及其在植物体中的生理作用作为主要的内容进行研究。首先利用低镁生长缺陷的鼠伤寒沙门氏菌突变株和卵母细胞作为外源表达体系，发现OsHKT2;4为低亲和Mg2+转运体。OsHKT2;4的表达促进拟南芥mgt6突变体地上部的Mg2+向上运输，导致地上部的Mg2+上升，从而高镁环境中表现出高镁胁迫，而在低镁条件没有类似的作用，该高镁胁迫症状可被补加Ca2+缓解，表明OsHKT2;4可通过吸收Mg2+和Ca2+以改变植物体Mg2+-Ca2+的稳态。还有，OsHKT2;4的过表达促进植物体吸收Na+，并降低Ca2+的吸收。这些结果不仅表明OsHKT2;4作为低亲和离子转运体参与植物地上部Mg2+、Ca2+、Na+的分配，而且在分子培育适应这些离子含量环境的生物体具有应用前景。根据水稻存在着SNP现象，我们收集多种水稻品种，克隆它们的OsHKT2;4基因，发现部分水稻品种HKT2;4出现少数有差异的氨基酸。然后利用双电极电压钳和营养吸收缺陷酵母等方法鉴定各种水稻OsHKT2;4在Ca2+吸收中的关键氨基酸及其与Na+、K+吸收间的关系，发现所有的水稻品种OsHKT2;4均可吸收Na+和K+，而仅有两种水稻品种的OsHKT2;4具有吸收Ca2+的活性。通过点突变改变氨基酸，发现OsHKT2;4的单个氨基酸（249位S或G）赋予OsHKT2;4对Ca2+与K+/Na+吸收的选择特异性，揭示了在植物进化过程中转运体离子选择活性变化的简单性，具有重要的科学意义。相关的研究结果已向专业学术期刊投稿或撰写中，预计会在2017年接收或发表。我们会将这些文章上传并归入本项目的研究成果。