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拟南芥钾营养突变体的筛选和低钾敏感基因LKS1的功能与分子调控机制研究

李皓东  
【摘要】:钾是植物生长发育所必需的大量元素之一,钾离子广泛分布于植物各组织,是植物体内含量最丰富的一价阳离子。土壤钾是植物钾素最主要的来源,然而土壤缺钾以及钾肥短缺已经成为制约我国、乃至于世界农业生产发展的重要限制因子之一。不同物种之间或同一物种的不同品种之间具有钾营养效率差异,植物的这种钾营养效率差异是可遗传的。提高农作物自身的钾营养效率是解决作物生产中钾资源短缺的重要途径之一。 本研究以模式植物拟南芥为材料,筛选在含钾量为100μM的低钾培养基中处理4天后主根发生生长的拟南芥钾营养突变体。筛选得到9个单基因隐性突变株系,根据突变体的突变基因是否等位而分为4组:lks1、lks2、lkt1、lkt2。将各组拟南芥钾营养突变体在低钾条件下长时间处理后发现各组突变体之间的钾营养特征存在很大差别。lks1、lks2就是根据它们具有低钾敏感(Low-K~+-Sensitive)的性状而命名的,在低钾条件处理4天后,lks1和lks2就停止生长;在处理10天,lks1和lks2的子叶、真叶出现缺钾失绿的症状,而相同处理下的野生型植株的叶子呈现绿色。lkt1、lkt2是耐低钾突变体(Low-K~+-Tolerant),它们在生长状况、外部形态方面和钾含量方面,lkt1、lkt2都比野生型具有钾营养优势。另外,各组突变体对信号物质,如外源钙,的反应也有所不同:lks1、lkt1两组突变体在外界钙浓度降低后对低钾环境更为敏感;而lks2、lkt2两组突变体在外界钙浓度变化时对低钾的反应没有发生改变。这一现象暗示不同的突变基因可能处于不同的信号转导途径中,它们对植物钾营养进行调节的方式可能不同。 LKS1基因是从lks1(Low-K~+-Sensitive 1)突变体中克隆得到的,已知LKS1隶属于CIPK(CBL-Interacting Protein Kinase)家族,为植物特异的丝氨酸/苏氨酸激酶。本实验室已有的研究显示:LKS1与钾通道AKT1(Arabidopsis K~+ Transporter)在酵母双杂交体系中互作:lks1与akt1在低钾处理条件下具有相似的表型。本研究通过promoter∷GUS对LKS1的表达部位进行了检测,发现LKS1与AKT1的表达部位有很大的重叠面,而表达部位的共分布是蛋白能够进行体内相互作用的必须条件。对lks1和akt1以及LKS1的过量表达株系的钾吸收、转运和植株钾含量的测定显示:与野生型植株相比,lks1和akt1在钾吸收和植株钾含量方面有类似程度的下降:而LKS1过量表达株系的钾吸收能力大大提高,植株的根、冠钾含量和生物量显著增加。体外磷酸化实验证明AKT1作为LKS1的底物,可以被LKS1磷酸化。推测LKS1通过磷酸化直接调节AKT1的通道活性,从而影响植物的钾吸收和转运,进一步改变植物的钾营养特征。本研究在以植物为材料的研究中提供了第一例特异激酶通过磷酸化直接调节特异钾通道的实验证据。


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