擬南芥鉀營(yíng)養(yǎng)突變體的篩選和低鉀敏感基因LKS1的功能與分子調(diào)控機(jī)制研究.pdf

1、鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，鉀離子廣泛分布于植物各組織，是植物體內(nèi)含量最豐富的一價(jià)陽(yáng)離子。土壤鉀是植物鉀素最主要的來(lái)源，然而土壤缺鉀以及鉀肥短缺已經(jīng)成為制約我國(guó)、乃至于世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要限制因子之一。不同物種之間或同一物種的不同品種之間具有鉀營(yíng)養(yǎng)效率差異，植物的這種鉀營(yíng)養(yǎng)效率差異是可遺傳的。提高農(nóng)作物自身的鉀營(yíng)養(yǎng)效率是解決作物生產(chǎn)中鉀資源短缺的重要途徑之一。 本研究以模式植物擬南芥為材料，篩選在含鉀量為100μM的

2、低鉀培養(yǎng)基中處理4天后主根發(fā)生生長(zhǎng)的擬南芥鉀營(yíng)養(yǎng)突變體。篩選得到9個(gè)單基因隱性突變株系，根據(jù)突變體的突變基因是否等位而分為4組：lks1、lks2、lkt1、lkt2。將各組擬南芥鉀營(yíng)養(yǎng)突變體在低鉀條件下長(zhǎng)時(shí)間處理后發(fā)現(xiàn)各組突變體之間的鉀營(yíng)養(yǎng)特征存在很大差別。lks1、lks2就是根據(jù)它們具有低鉀敏感的性狀而命名的，在低鉀條件處理4天后，lks1和lks2就停止生長(zhǎng)；在處理10天，lks1和lks2的子葉、真葉出現(xiàn)缺鉀失綠的癥狀，而相同

3、處理下的野生型植株的葉子呈現(xiàn)綠色。lkt1、lkt2是耐低鉀突變體，它們?cè)谏L(zhǎng)狀況、外部形態(tài)方面和鉀含量方面，lkt1、lkt2都比野生型具有鉀營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)。另外，各組突變體對(duì)信號(hào)物質(zhì)，如外源鈣，的反應(yīng)也有所不同：lks1、lkt1兩組突變體在外界鈣濃度降低后對(duì)低鉀環(huán)境更為敏感；而lks2、lkt2兩組突變體在外界鈣濃度變化時(shí)對(duì)低鉀的反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生改變。這一現(xiàn)象暗示不同的突變基因可能處于不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，它們對(duì)植物鉀營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式可能

4、不同。 LKS1基因是從lks1突變體中克隆得到的，已知LKS1隸屬于CIPK家族，為植物特異的絲氨酸/蘇氨酸激酶。本實(shí)驗(yàn)室已有的研究顯示：LKS1與鉀通道AKT1在酵母雙雜交體系中互作；lks1與akt1在低鉀處理?xiàng)l件下具有相似的表型。本研究通過(guò)promoter：：GUS對(duì)LKS1的表達(dá)部位進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)LKS1與AKT1的表達(dá)部位有很大的重疊面，而表達(dá)部位的共分布是蛋白能夠進(jìn)行體內(nèi)相互作用的必須條件。對(duì)lks1和akt1以

5、及LKS1的過(guò)量表達(dá)株系的鉀吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和植株鉀含量的測(cè)定顯示：與野生型植株相比，lks1和akt1在鉀吸收和植株鉀含量方面有類(lèi)似程度的下降；而LKS1過(guò)量表達(dá)株系的鉀吸收能力大大提高，植株的根、冠鉀含量和生物量顯著增加。體外磷酸化實(shí)驗(yàn)證明AKT1作為L(zhǎng)KS1的底物，可以被LKS1磷酸化。推測(cè)LKS1通過(guò)磷酸化直接調(diào)節(jié)AKT1的通道活性，從而影響植物的鉀吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)一步改變植物的鉀營(yíng)養(yǎng)特征。本研究在以植物為材料的研究中提供了第一例特異激