本文關(guān)鍵詞：水稻高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsHAK5的功能研究　出處：《南京農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 水稻 OsHAK5 鉀 鈉 水稻 生長(zhǎng)發(fā)育 吸收 轉(zhuǎn)運(yùn) 株型

【摘要】：鉀(K)是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一,廣泛參與植物的各種生理和生化過程,如植物的細(xì)胞膨壓和滲透壓調(diào)節(jié)、氣孔開閉、離子平衡、酶的活化、抵御生物和非生物脅迫等。由于鉀在土壤中容易被固定淋失、農(nóng)作物秸稈的收獲帶走一部分鉀和長(zhǎng)期大量的使用氮、磷肥而鉀肥施用量不足,造成我國(guó)土壤中普遍缺鉀,嚴(yán)重限制農(nóng)業(yè)發(fā)展。植物吸收鉀離子存在高、低親和兩種吸收機(jī)制。在高鉀環(huán)境下,鉀離子通道(K Channels)起主要作用,而低鉀環(huán)境下,鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(KTransporters:KT)則發(fā)揮主要作用。植物在應(yīng)對(duì)低鉀脅迫時(shí),已經(jīng)進(jìn)化出包括細(xì)胞膜的超極化反應(yīng)、根系構(gòu)型變化、增強(qiáng)鉀在不同組織中的流動(dòng)、細(xì)胞外酸化和誘導(dǎo)高親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白KUP/HAK/KT (K Uptake Permease /High Affinity K transporter / K Transporters)的表達(dá)等形態(tài)結(jié)構(gòu)變化和生理生化上的響應(yīng)機(jī)制以提高對(duì)鉀的吸收和再利用。已有研究結(jié)果表明,KUP/HAK/KT是組成水稻中最大的鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族,預(yù)測(cè)水稻HAK家族有27個(gè)成員,在我們的研究開始之際,國(guó)際上還沒有關(guān)于該家族成員在水稻中的表達(dá)特征和生理功能的報(bào)道。因此,開展對(duì)水稻高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白生理功能研究,對(duì)于揭示水稻在低鉀脅迫下的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)鉀素營(yíng)養(yǎng)的生理、分子機(jī)制和培育鉀高效利用水稻新品種具有重大意義。本研究以模式作物水稻為研究對(duì)象,深入研究水稻高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsHAK5的生理功能,我們對(duì)該基因表達(dá)模式的研究、組織和亞細(xì)胞定位、異源系統(tǒng)的功能鑒定,以及該基因超表達(dá)和敲除材料獲得與表型分析等一系列具體的分子和生理試驗(yàn),獲得主要研究結(jié)果如下:1、OsHAK5基因的表達(dá)模式研究表明,該基因受缺鉀誘導(dǎo)上調(diào)。啟動(dòng)子融合GUS報(bào)告基因結(jié)果表明,OsHAK5在根表皮、側(cè)根原基、側(cè)根、中柱細(xì)胞、根莖結(jié)合部、葉片、花藥、胚、種子和種殼都有表達(dá),且在根、根莖結(jié)合處和葉片受缺鉀誘導(dǎo),表達(dá)增強(qiáng)。亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示OsHAK5是一個(gè)定位于細(xì)胞質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。啟動(dòng)子分割試驗(yàn)結(jié)果表明:OsHAK5基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)ATG上游-1479到-1776bp范圍內(nèi)可能存在受缺鉀誘導(dǎo)的順式作用元件(cis-element)。OsHAK5表達(dá)受不同植物激素的誘導(dǎo)(上調(diào)或下調(diào)),且在ATG上游-1479到-1776bp范圍內(nèi)有響應(yīng)生長(zhǎng)素信號(hào)的順式作用元件ASF1MOTIFCAMV,外源添加IAA處理,顯著增強(qiáng)OsHAK5啟動(dòng)子融合的GUS基因在不同組織的表達(dá)活性。2、通過構(gòu)建酵母表達(dá)載體pYES2-OsHAK5,以空載體pYES2作對(duì)照,將其分別轉(zhuǎn)入鉀離子吸收缺陷型酵母突變菌株R5421和鹽敏感型酵母突變菌株AXT3中,以驗(yàn)證OsHAK5在酵母異源體系中的功能,酵母打點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明:在高鉀濃度(20mMK+; 50mMK+)的固體培養(yǎng)上,OsHAK5轉(zhuǎn)化子和空載體生長(zhǎng)無明顯差異,而在低鉀(0.05 mMK+到1mMK+)培養(yǎng)基上,OsHAK5轉(zhuǎn)化子酵母的生長(zhǎng)能力顯著優(yōu)于空載體酵母。在高鹽濃度的培養(yǎng)基上,OsHAK5轉(zhuǎn)化子酵母比空載體酵母具有更強(qiáng)的耐鹽能力,通過對(duì)液體培養(yǎng)的酵母進(jìn)行高鹽處理然后進(jìn)行鉀、鈉離子含量測(cè)定結(jié)果表明:OsHAK5轉(zhuǎn)化子酵母比空載體酵母在高鹽處理下積累更多的K+而不提高Na+吸收,因此,OsHAK5在酵母中表現(xiàn)為高親和鉀選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)體。3、一定時(shí)間的低K (0.3 mM K+)和不加K (0 mM K+)水培試驗(yàn)研究表明:OsHAK5超表達(dá)材料的生物量、地上部K濃度、K吸收總量和單位時(shí)間的K凈吸收速率均顯著高于野生型材料,有趣的是,根中K濃度反而顯著低于野生型材料。OsHAK5突變體材料的生物量、K吸收總量和單位時(shí)間鉀離子凈吸收速率顯著降低,而根部的K濃度顯著高于野生型材料。正常供鉀時(shí),超表達(dá)和野生材料生長(zhǎng)沒有差異,而突變體材料生長(zhǎng)受阻的表型不能通過高鉀恢復(fù)。為了進(jìn)一步證明OsHAK5參與水稻根系在低K環(huán)境中吸收K的生理功能,利用NMT(非損傷原位測(cè)定技術(shù))測(cè)定了OsH K5超表達(dá)、沉默和野生型水稻根尖鉀離子吸收流速。在正常供K (1mM K+)時(shí),OsHAK5超表達(dá)和沉默材料及其對(duì)應(yīng)的野生型水稻材料根系鉀離子吸收流速無明顯差異,而低K (0.1 mMK+)處理時(shí),超表達(dá)材料鉀離子吸收流速較野生型顯著提高,而突變體材料顯著降低。此外,傷流液試驗(yàn)結(jié)果表明,在低K和完全缺K處理時(shí),超表達(dá)材料傷流液中的K濃度和K外流速率顯著高于野生型,而突變體材料則呈相反趨勢(shì)。我們的研究結(jié)果表明在低鉀條件下,OsHAK5不僅有助于水稻對(duì)K的吸收,還能增強(qiáng)其地下向地上的轉(zhuǎn)運(yùn)。4、OsHAK5基因在鹽脅迫中的生理功能研究結(jié)果表明,在鹽脅迫(100mM NaCl)處理下,超表達(dá)材料的生物量、K吸收總量和地上部的K+/Na+均顯著高于野生型,抗鹽脅迫能力增強(qiáng)。與野生型相比,突變體植株地上部的Na+濃度和Na+/K+顯著增高,而生物量和K吸收總量顯著降低,抗鹽能力減弱。這一結(jié)果也驗(yàn)證了我們對(duì)酵母試驗(yàn)的結(jié)論。5、對(duì)OsHAK5超表達(dá)和敲除水稻植株的表型分析發(fā)現(xiàn),OsHAK5影響了水稻株型具體表現(xiàn)為:與野生型材料相比,超表達(dá)材料總分蘗和有效分蘗較野生型顯著增加,而突變體材料總分蘗和有效分蘗顯著減少,超表達(dá)和突變體材料的株高都顯著降低。超表達(dá)、突變體和野生型材料根尖和根莖結(jié)合部生長(zhǎng)素含量測(cè)定結(jié)果表明,OsHAK5超表達(dá)和沉默材料的根尖生長(zhǎng)素含量只有對(duì)應(yīng)野生型材料的50%,超表達(dá)材料根莖結(jié)合部生長(zhǎng)素含量顯著高于野生型,而沉默材料呈相反趨勢(shì)。OsHAK5的超表達(dá)和沉默影響了水稻植株生長(zhǎng)素輸出載體蛋白PIN家族成員相關(guān)基因和輸入蛋白AUX1的表達(dá),同時(shí)也影響了分蘗數(shù)(OsFC1)和分蘗角度(OsLay1;OsTAC)相關(guān)基因的表達(dá)且超表達(dá)材料和沉默材料的表達(dá)變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。此外,OsHAK5還影響了[3H]-IAA在水稻植株中的極性運(yùn)輸。不同pH值處理下的根系生長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,在pH值為4.5的處理下,超表達(dá)根系生長(zhǎng)顯著優(yōu)于野生型,而當(dāng)pH值為5.5和6.5處理下,超表達(dá)和野生型根系無明顯差異,而沉默材料根系在pH值為4.5、5.5和6.5均表現(xiàn)根系生長(zhǎng)受阻現(xiàn)象,尤其在pH4.5處理下根系生長(zhǎng)受阻更加嚴(yán)重。推測(cè)OsHAK5對(duì)水稻株型的改變可能是由于OsHAK5影響了細(xì)胞間的pH穩(wěn)態(tài)平衡。綜上所述,OsHAK5基因參與了水稻在低鉀時(shí)對(duì)鉀素營(yíng)養(yǎng)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),該轉(zhuǎn)運(yùn)體呈現(xiàn)為選擇性吸收K+,而不吸收Na+。此外,現(xiàn)有的證據(jù)顯示,OsHAK5可能是通過影響生長(zhǎng)素在水稻植株體內(nèi)的含量和分布,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻株型的調(diào)節(jié)。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S511;Q943.2

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 呂菊波;徐平平;高淑麗;張升曉;徐慧;;基于核酸適體構(gòu)象變化的熒光鉀離子檢測(cè)[J];化學(xué)通報(bào);2013年02期

2 孫玉善，馮飛，孫漢章，彭啟強(qiáng)，夏宗鳳，，王薇;海洋資源的化學(xué)ⅩⅠⅩ．冠合型醇酸樹脂的分子設(shè)計(jì)、合成及其對(duì)海水體系中鉀離[J];海洋學(xué)報(bào)(中文版);1994年05期

3 孫玉善,孫漢章,王薇,牟蔚;海洋資源的化學(xué)——Ⅷ THN對(duì)海水體系中鉀離子的富集性能[J];山東海洋學(xué)院學(xué)報(bào);1987年01期

4 陳瑗;孔華;;某些抗氧化劑對(duì)體外輻射誘導(dǎo)的紅細(xì)胞鉀離子滲漏的影響[J];生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展;1985年03期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 楊睿;鮑金欣;劉紹璞;;高選擇性熒光傳感器的合成及其鉀離子識(shí)別[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第21分會(huì)：光化學(xué)[C];2014年

2 宿永波;魏永剛;劉壘;張冬梅;;鉀離子對(duì)豬的營(yíng)養(yǎng)作用[A];2010山東飼料科學(xué)技術(shù)交流大會(huì)論文集[C];2010年

3 谷建平;尹勇;王建兵;;死后不同時(shí)間紅細(xì)胞內(nèi)鉀離子含量分析[A];全國(guó)第六次法醫(yī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2000年

4 谷建平;尹勇;王建兵;;死后不同時(shí)間紅細(xì)胞內(nèi)鉀離子含量分析[A];中國(guó)法醫(yī)學(xué)最新科研與實(shí)踐（一）——全國(guó)第六次法醫(yī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文精選[C];2000年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 楊天元;水稻高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsHAK5的功能研究[D];南京農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

2 曹瑞旗;低鉀血癥時(shí)機(jī)體鉀離子變化規(guī)律及其調(diào)節(jié)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究[D];河北醫(yī)科大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 姚穎;分子篩的鉀離子交換研究[D];天津大學(xué);2014年

2 姜驍;煙草根系鉀通道基因NTORK1的功能及調(diào)控研究[D];貴州大學(xué);2016年

3 李振;離子交換對(duì)薄玻璃性能和結(jié)構(gòu)的影響研究[D];西南科技大學(xué);2016年

4 張松;鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsHAK5調(diào)控水稻株型機(jī)理的探究[D];南京農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

5 趙亮;合成鉀離子吸附劑離子交換特性的研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2008年

6 楊運(yùn)亮;家兔低血鉀模型中骨骼肌鉀離子的變化及其機(jī)制的探討[D];河北醫(yī)科大學(xué);2011年

本文編號(hào)：1310201