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植物在生长发育过程中需要充足的矿质营养,而这些矿质营养主要是其根部从土壤中吸收得到的。研究表明,植物光合作用合成的碳素营养决定根部对矿质营养的吸收过程。当植物遇到光照不足、干旱、水涝、极端温度等逆境胁迫时,其可以通过自身一系列的碳素营养调节机制来维持和恢复体内的能量平衡。但植物体内碳素营养的改变影响其对矿质营养吸收的具体机理还有待进一步研究。此外,已有的研究表明在植物调节碳素营养和能量代谢平衡中起着重要作用的是蔗糖非发酵相关蛋白激酶 1(sucrose non-fermenting-1-related protein kinases,SnRK1)。SnRK类蛋白激酶在植物中广泛存在,其包含3个亚家族:SnRK1、SnRK2、SnRK3。其中SnRK1与酵母SNF1、哺乳动物AMPK存在着较高的序列相似性。而SnRK2和SnRK3是植物所特有的蛋白激酶。SnRK2和SnRK3在植物中主要参与植物ABA信号途径以及矿质营养吸收途径。因此,在本论文中,我们想通过对SnRK1的研究来探讨贫瘠营养的生长环境下植物对于矿质营养的吸收情况。本论文以模式植物拟南芥作为研究材料,我们首先鉴定出SnRK1家族的两个T-DNA突变体snrk1.1和snrk1.2。我们比较分别缺少植物所必需的三大营养元素氮、磷、钾情况下突变体的表型,发现在突变体snrk1.1和snrk1.2相比野生型变得更难适应低钾环境。接着我们通过利用植物分子遗传学、分析化学、酵母双杂交、双分子荧光互补(BIFC)等技术分析蔗糖非发酵相关蛋白激酶1家族(SnRK1s)调控拟南芥低钾耐受性的机理,获得如下研究结果:1、SnRK1s影响了拟南芥在低钾环境中的生长发育。为了探究SnRK1s对K+的依赖程度,我们设计了不同K+浓度进行表型生长实验。发现突变体snrk1.1和snrk1.2在K+浓度为0.01 mM-1 mM均表现出较野生型更敏感的表型。为了进一步确认低钾敏感表型由SnRK1基因突变引起,我们又鉴定筛选出两个SnRK1.1过表达株系,研究发现在低钾条件下SnRK1.1过表达植株具有耐低钾的表型。通过钾离子梯度实验发现随着培养基中K+浓度的升高SnRK1.1过表达与野生型之间的表型差异逐渐消失。2、SnRK1s对拟南芥低钾耐受性的调控受到蔗糖的影响。我们将培养基中1%蔗糖(w/v)替换为1%葡萄糖(w/v)、1%果糖(w/v)、1%甘露醇(w/v),观察snrk1.1、snrk1.2突变体是否还具有低钾敏感表型。我们发现跟换培养基碳源后,低钾条件下snrk1.1和snrk1.2突变体并未表现出与以蔗糖为碳源培养基中一致的低钾表型,由此可知snrk1.1和snrk1.2突变体的低钾敏感表型具有一定的蔗糖依赖性。接着,我们通过在培养基中添加不同浓度的蔗糖,发现SnRK1.1和SnRK1.2主要在低蔗糖浓度下发挥作用,而SnRK1.1过表达株系对低钾的耐受性受到高蔗糖的抑制。因此,确认了 SnRK1s对拟南芥低钾耐受性的调控受到蔗糖的影响。3、SnRK1.1通过钾离子通道AKT1调控拟南芥对低钾的耐受性。为了验证SnRK1.1的确是通过影响了拟南芥体内的钾离子含量造成的低钾适应能力的差距,我们利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定了野生型、突变体snrk1.1、SnRK1.1过表达植株在不同钾浓度中的钾离子含量。发现缺钾条件下,突变体snrk1.1体内钾离子含量较野生型更低,而SnRK1.1的过量表达有助于植物在低钾环境中吸收到较多的钾,缓解植物的缺钾症状。因此,SnRK1.1确实影响植物体内钾离子的含量。进一步探究SnRK1.1通过哪种途径控制拟南芥的低钾耐受性。首先通过酵母双杂交实验证明SnRK1.1和AKT1物理互作,接着通过双分子荧光互补(BIFC)实验验证了 SnRK1.1与AKT1体内互作。我们杂交获得了以akt1突变体为背景的SnRK1.1过表达体,通过遗传学实验证明SnRK1.1在低钾下发挥作用需要通过AKT1这一钾离子通道。综上所述,SnRK1除了在能量代谢平衡中起着重要作用,还能响应低钾,并通过与钾离子通道AKT1互作影响植物对于钾离子吸收。该发现通过SnRK1建立了碳水化合物代谢与K+营养吸收之间的联系,可望为分子培育高抗性的作物提供理论指导和实验依据。