植物钾吸收转运基因的克隆与作物遗传改良

《植物钾吸收转运基因的克隆与作物遗传改良》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、植物营养与肥料学报2001，7(4)：467-473PlantNutritionandFertilizerScience植物钾吸收转运基因的克隆与作物遗传改良汤利，施卫明，王校常(中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008)摘要：本文从分子水平对植物吸钾的生理机翩、钾吸收转运基因的分离克隆、钾基因在植物生理中的作用及应用基因工程技术改良作物钾营养性状、培育钾高教品种等方面的研究进展作了较为系统的讨论。美t词：钾，基因克隆，遗传改良中圈分类号：Q785文■标识码：A文章号：1008～505X[200

2、1)04～0467—07钾是植物必需营养元素之一。是植物细胞中最丰富的离子，在植物的生长和发育中起重要作用，如促进酶的活化、蛋白质台成、光台作用．维持渗透压、调节叶片和气孔运动和细胞仲长等【1-4]。人们在土壤钾的分布、土壤钾的植物有效性、钾肥施用效果等方面做了大量研究，取得了可喜的成就。近年来，随着分子生物学的发展和应用，有关植物吸收利用土壤钾的生理机制和分子基础、养分吸收转运基因的分离克隆及应用基因工程技术改良和培育养分高效型作物品种等研究工作取得了突破性进展。1植物钾基因的克隆与鉴定土壤溶液中的

3、钾主要通过扩散和质流迁移至根部皮层的细胞壁空间，经根皮层外部细胞的愿生质膜进入植物体内，再通过木厦部或韧皮部进行长距离运输转运到植株备器官。无论是根对钾的吸收，还是钾离子从根向植物各器官的转运．均需通过细胞或器官的膜．进行跨膜运输。现有研究认为，钾离子的吸收是通过根细胞质膜的高亲和系统和低亲和系统。高亲和系统可吸收1～200／mml／L的钾J，低亲和系统则吸收1～10rnr~l／L浓度的外潭钾。根系高亲和K的吸收是逆电化学梯度的，主要通过载体吸收，一般为K一H或K．Na十协同转运[7-9]。低亲和系统

4、主要由K通道调节L1j，K离子通道是植物吸收钾的重要途径之一。K在植物中的转运已有许多报道【3q】虽然人们很早就致力于植物营养遗传的研究，但多为植物营养基因型差异的简单比较。1992年An．derson和Sentenae利用吸钾缺失的酵母突变体，通过功能互补法分别从拟南芥中克隆出第一个植物体内的钾离子通道基因KAT1j和AKT1_1，标志着植物营养分子生物学研究取得了突破性的进展。第一个吸钾基因于1992年由Anderson等(KATe)和S~tenac等(A}rn)分别通过应用吸钾缺失的酵母突变体功

5、能互补从拟南芥分离出来，将这些基因导人酵母细胞、爪蟾卵母细胞或昆虫杆状病毒细胞SO等摸式表达系统，通过膜片钳技术(Patch—Caamp)或电压钳(Voltage—C~no)技术研究该基因的电生理性质进一步证实了这些基因为吸钾基因t“]。随后通过DNA杂交、EST技术和酵母突变体功能互补、PCR及基因库标签法等又分别从拟南芥、小麦、水稻、马铃薯等作物中分离克隆出一批与钾吸收转运有关的基匿。主要可分为4种类型：1)高亲和载体，2)内流型通道．3)外流限制型通道，4)钾通道0亚基。并对其牧稿日期：20C0

6、-06-29基全项目：国囊自然科学基金(39772437)；中国科学院项目(KZ952一S1—221~STZ一3—09)资助。作者筒介：汤利(1964一)，女，吉林白山人，博士，副研究员，主要从事植物营井与植物营养遗传研究。植物营养与肥料学报7卷表达部位、功能、及调节机制进行了大量研究，详见表1。表1参与檀翱K吸收转逢的基因1hbk1Genesinvolvedintheeptakeandtremslofatioa0fKinplants2钾基因的植物生理作用钾基因在植物体内的生理作用尚不完全确定。目前研

7、究认为主要与K吸收、转运及细胞中(尤其是保卫细胞)的信号传递有关。4期汤利，等：植物钾吸收转运基因的克隆与作物遗传改良46921报土界面的钾离子吸收目前研究表明，可能参与K吸收的基因主要有高亲和载体基因HKT1，HvHAK和KEA1及AtKUP1—4和低亲和的内流型钾通道基因AKT1，LCT1等。21．1低亲和吸收AKT1为植物的第一个钾基因，是低亲和内流型K通道，主要在根部表达一。带有启动子一GUS的AKT1转基因拟南芥在成熟根的外周细胞壁具有GUS活性J。可能参与土壤溶液的K吸收【蚓。但在NH(肼

8、∞I几)存在时，AKT1也可能在K’高亲和吸收中起重要作用J。spa1d．i等用缺乏AKT1通道活性的拟南芥突变体akt1和反义遗传策略，将根细胞的K吸收器官分成A}1和非AKT1部分。当外源K在10-1000／anoi／L，无NH存在时，AKT1组分占野生型拟南芥K通透性的55％-63％】。缺乏AKT1通道活性的拟南芥突变体akt1，其K通透性、踟向根的流量、种子萌发、植株生长速率均受NH的抑制，而野生型对NH有较强的抗性。因此，在NH存在时，AKT1