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随着全球灌溉面积的不断增加,耕地土壤盐渍化成为全球农业生产所面临的越来越严峻的挑战。在大多数盐土中,过高的氯化钠(NaCl)含量是植物生长的主要障碍。过量的钠离子(Na+)积累不仅会对植物产生离子毒害,还会引发细胞膜去极化而导致细胞质钾离子(K+)外流,破坏细胞的K+-Na+稳态平衡,从而影响细胞的正常代谢。K+作为植物中含量最高的无机离子,不仅在植物的生理代谢中起重要的作用,而且作为最重要的无机渗透物质,能够缓解高盐分造成的渗透胁迫和提高植物抗干旱的能力。
不同遗传背景植物的耐盐度有很大的差异,如禾本科的水稻较大麦和玉米等对盐分更为敏感。事实上,在进化过程中,每种植物均获得了一些能提高其耐盐能力的基因。如水稻中高亲和K+转运体HAK/KT/KUP家族第一亚族的多个成员被报道有助于提高水稻的耐盐性。它们均为高亲和K+转运体,能够在低K+环境或高盐胁迫下加强水稻对K+的吸收和转运.以限制水稻体内Na的积累并提高水稻的钾钠比(K/Na比),从而提高水稻的耐盐能力。
水稻中的27个HAK/KT/KUP成员被分为四个亚族,到目前为止,除了第一亚族的几个成员的生理功能得到了鉴定而外,其它亚族成员在水稻中的生理功能尚未见报道。本文报道的OsHAK8属于HAK家族第二亚族,我们通过对该基因的亚细胞定位和组织定位分析、对超表达和突变体水稻在不同钾、钠环境下耐盐性及耐旱性差异的比较,以及该基因对水稻结实率和种子萌发等性状的影响,探索了OsHAK8在水稻中的生理功能。我们的研究结果如下:
1、OsHAK8的亚细胞定位和组织定位结果显示:OsHAK8和GFP的融合蛋白主要定位在反式高尔基和高尔基上,但是也有少量定位在细胞的质膜上。OsHAK8启动子引导的GUS报告基因主要在叶片的叶肉细胞和根茎结合处表达。
2、OsHAK8超表达或突变体水稻在不同的K+、Na+含量的培养液中生长结果显示:无论是正常生长条件或低钾、高盐胁迫下,OsHAK8的超表达或突变均导致水稻生物量显著下降。在正常供钾条件下,超表达材料地上和地下部的K含量会明显高于野生型,而在低K+条件下则没有影响。而无论在正常或低K条件下,OsHAK8的突变对水稻体内K浓度均没有影响。在高盐条件下,超表达材料地上部的K含量会明显高于野生型而根部则不变;OsHAK8突变对水稻K含量影响不大。OsHAK8超表达对水稻体内Na的积累没有影响而突变后则使地上部的Na含量明显上升。通过对这些水稻K+/Na+比的计算,我们发现OsHAK8超表达会提高水稻地上部的K+/Na+比,而突变则刚好相反。
3、OsHAK8受渗透胁迫和干旱胁迫诱导表达明显上调。此外,我们还发现OsHAK8受ABA诱导强烈表达。对水稻干旱处理的结果显示OsHAK8超表达会明显提高植株的存活率,而OsHAK8突变则明显降低植株的存活率。因此,OsHAK8能提高水稻的抗旱能力。
4、OsHAK8突变和超表达材料的大田实验数据显示,OsHAK8突变和超表达均会显著降低水稻的分蘖数和产量。此外,不同株系水稻种子的萌发试验结果表明,OsHAK8超表达会抑制种子的萌发。
不同遗传背景植物的耐盐度有很大的差异,如禾本科的水稻较大麦和玉米等对盐分更为敏感。事实上,在进化过程中,每种植物均获得了一些能提高其耐盐能力的基因。如水稻中高亲和K+转运体HAK/KT/KUP家族第一亚族的多个成员被报道有助于提高水稻的耐盐性。它们均为高亲和K+转运体,能够在低K+环境或高盐胁迫下加强水稻对K+的吸收和转运.以限制水稻体内Na的积累并提高水稻的钾钠比(K/Na比),从而提高水稻的耐盐能力。
水稻中的27个HAK/KT/KUP成员被分为四个亚族,到目前为止,除了第一亚族的几个成员的生理功能得到了鉴定而外,其它亚族成员在水稻中的生理功能尚未见报道。本文报道的OsHAK8属于HAK家族第二亚族,我们通过对该基因的亚细胞定位和组织定位分析、对超表达和突变体水稻在不同钾、钠环境下耐盐性及耐旱性差异的比较,以及该基因对水稻结实率和种子萌发等性状的影响,探索了OsHAK8在水稻中的生理功能。我们的研究结果如下:
1、OsHAK8的亚细胞定位和组织定位结果显示:OsHAK8和GFP的融合蛋白主要定位在反式高尔基和高尔基上,但是也有少量定位在细胞的质膜上。OsHAK8启动子引导的GUS报告基因主要在叶片的叶肉细胞和根茎结合处表达。
2、OsHAK8超表达或突变体水稻在不同的K+、Na+含量的培养液中生长结果显示:无论是正常生长条件或低钾、高盐胁迫下,OsHAK8的超表达或突变均导致水稻生物量显著下降。在正常供钾条件下,超表达材料地上和地下部的K含量会明显高于野生型,而在低K+条件下则没有影响。而无论在正常或低K条件下,OsHAK8的突变对水稻体内K浓度均没有影响。在高盐条件下,超表达材料地上部的K含量会明显高于野生型而根部则不变;OsHAK8突变对水稻K含量影响不大。OsHAK8超表达对水稻体内Na的积累没有影响而突变后则使地上部的Na含量明显上升。通过对这些水稻K+/Na+比的计算,我们发现OsHAK8超表达会提高水稻地上部的K+/Na+比,而突变则刚好相反。
3、OsHAK8受渗透胁迫和干旱胁迫诱导表达明显上调。此外,我们还发现OsHAK8受ABA诱导强烈表达。对水稻干旱处理的结果显示OsHAK8超表达会明显提高植株的存活率,而OsHAK8突变则明显降低植株的存活率。因此,OsHAK8能提高水稻的抗旱能力。
4、OsHAK8突变和超表达材料的大田实验数据显示,OsHAK8突变和超表达均会显著降低水稻的分蘖数和产量。此外,不同株系水稻种子的萌发试验结果表明,OsHAK8超表达会抑制种子的萌发。