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钾离子转运蛋白OsHAK5调控水稻株型机理的探究

张松  
【摘要】:钾是植物生长发育过程中所必需的大量营养元素,其参与植物生长发育过程中的多种生理生化过程,植物体吸收外界环境中的钾离子主要是通过钾转运体实现的,主要包括钾离子通道,和钾离子转运蛋白两大类。HAK/KT/KUP家族是目前报道的植物体内最大的钾离子转运体家族,预测在拟南芥中有13个成员,水稻中有27个成员。前期研究结果表明,低钾环境下该家族成员基因OsHAK5对于水稻钾离子的吸收以及由地下部往地上部转运的过程发挥着重要的作用。此外,通过连续多代的田间试验我们发现,与野生型相比超表达植株株高降低,分蘖数增加。相反,敲除该基因后,水稻分蘖减少,且结实率大幅下降,另外,该基因敲除水稻的株高也显著低于野生型非转基因的水稻。本论文以日本晴背景的OsHAK5超表达水稻和东粳背景的突变体水稻为研究材料,主要研究水稻钾离子转运蛋白基因OsHAK5改变水稻株型的机制。主要研究结果如下:1.检测超表达和突变体材料内独脚金内酯合成和信号转导相关基因表达水平发现,独脚金内酯合成相关基因OsD17和信号转导相关基因OsD14在超表达材料的地下部和地上部中表达量均明显提高,而在突变体材料中则明显降低。说明D14和D17基因可能参与调控本实验研究材料株高分蘖的变化。2.通过GUS染色结果发现,缺钾能够诱导OsHAK5在侧根原基以及侧根中的表达,进一步对缺钾条件下不同材料主根以及侧根的发育进行观察,缺钾条件下超表达材料根尖区域根毛的生长则受到促进,而缺钾对侧根的影响不大。突变体材料表现出低钾敏感型,根系生长的抑制作用加剧,侧根长度进一步缩短。测定各部位钾离子含量发现,主根根系表型变化似乎与钾离子的浓度无关,进一步检测了主根根尖生长素的流速以及根尖和根茎结合处生长素的含量,结果显示,与野生型相比,超表达材料主根根尖生长素的流速明显大于野生型,根尖部生长素含量降低而根茎结合处生长素含量较高。突变体材料根尖生长素的流速较低,生长素在根尖处和根茎结合处的含量都较低。表明生长素可能参与调控水稻的株型。3.通过组织培养技术获得OsHAK5-RNAi日本晴背景转基因水稻,繁种发现OsHAK5-RNAi转基因水稻育性也降低,约为55~65%。通过显微观察,扫描电镜和投射电镜观察发现,部分突变体花器官发育不良,花粉粒活性较低,进一步观察扬花后散落在柱头的花粉数目以及体内体外的萌发实验,发现突变体花粉较少,花粉活性低不能正常进行萌发以及花粉管的伸长。4.检测OsHAK5在生殖器官中的表达模式发现,OsHAK5在胚、种壳、花轴和花药中高度表达,暗示着该基因可能参与钾离子从营养器官向生殖器官,以及在生殖器官中向不同组织和细胞的转运。检测各部位钾离子的含量发现,突变体花器官中钾离子的含量较低,且随着花器官发育的推进钾离子积累的趋势不明显。进一步检测花器官中的ROS含量发现,在突变体花器官发育后期ROS呈现大量积累的趋势,推测由于钾养分缺乏胁迫所引起的ROS信号的产生。5在异源酵母实验发现,OsHAK5对外界pH敏感且在酵母细胞中能调节pH的稳态。表明,OsHAK5的超表达和突变可能导致生长素流经途径细胞质外的pH值发生变化,从而影响生长素的极性分布。同样的原理,OsHAK5可能通过维持花器官发育过程中K~+和H~+的稳态来调节水稻的生殖生长。


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