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钾(K+)是植物生长发育所必需的三大营养元素之一,在植物的生长发育过程中起着十分重要的作用。已有研究表明,植物通过钾离子通道和钾离子转运体蛋白从外界吸收K+,并在体内进行运输和分配。对于模式植物拟南芥,目前已有多个钾通道和钾转运体的生理功能得到了详细报道。AKT1是拟南芥根中最重要的钾离子通道之一,也是介导拟南芥根中K+吸收的主要途径之一,其活性受到上游多种调节因子的控制。然而,在作物中,虽然已经克隆了部分钾通道和转运体,但是这些钾通道和钾转运体在作物体内的生理功能仍然不清楚。本论文工作以水稻为材料,主要研究水稻钾离子通道OsAKT1的生理功能及其分子调控机制。氨基酸序列比对分析发现,水稻OsAKT1与拟南芥AKT1具有较高的序列相似性,预示它们可能具有类似的生理功能。将OsAKT1转入酵母钾吸收缺陷型菌株后,能够恢复缺陷型菌株在低钾培养基上的生长,说明OsAKT1具有K+转运活性。将OsAKT1转入拟南芥akt1突变体后,可以恢复akt1突变体冠部发黄的低钾敏感表型,说明OsAKT1在植物体内可能具有K+吸收功能。对水稻osakt1突变体进行低钾水培表型检测,结果显示,与野生型相比,osakt1突变体的生长受到显著抑制,叶片出现明显缺钾褐斑,植株K+含量显著下降。钾吸收动力学实验结果显示,osakt1突变体的K+吸收速率显著低于野生型,说明OsAKT1的功能缺失造成水稻K+吸收能力的下降,从而导致植株出现低钾敏感表型。土培实验还表明,osaktl突变体的抽穗期和灌浆期都滞后于野生型,并且结实也受到严重影响,产量显著降低。由此可知,OsAKT1作为一个钾离子通道,在水稻根部K+吸收过程中起着重要作用。本论文工作还对OsAKT1的调控因子进行了筛选和功能验证。拟南芥中的研究结果显示,AKT1活性受到钙感受器CBL1/9和蛋白激酶CIPK23的调控。由此推测OsAKT1的活性也可能受到水稻OsCBL1和OsCIPK23的调控。表达检测结果显示,OsCBL1和OsCIPK23在水稻根部均有表达,并且不同程度的受低钾诱导表达。酵母双杂交实验结果显示,OsCIPK23能够与OsAKT1互作,而OsCBLl又能够与OsCIPK23互作。OsCIPK23可以恢复拟南芥Iks1(cipk23)突变体的低钾敏感表型,同时OsCBLl可以恢复拟南芥cbll cbl9双突变体的低钾敏感表型。说明水稻OsCBL1和OsCIPK23可能具有与拟南芥CBLl和CIPK23类似的生理功能。此外,表型检测结果还显示,水稻OsCIPK23RNAi株系在低钾水培处理下也表现出与osakt1突变体类似的低钾敏感表型,说明OsCBL1和OsCIPK23应该与OsAKT1处于同一调控通路,参与调控OsAKT1介导的水稻K+吸收。本论文研究结果表明,OsAKT1介导水稻根细胞从土壤中吸收K+,从而控制水稻的钾营养性状,最终影响水稻的产量和品质。OsAKT1的活性受到钙感受器蛋白OsCBL1和蛋白激酶OsCIPK23的调控。在水稻中也存在和拟南芥中类似的钾营养分子调控通路。这些研究结果将为我们利用分子生物学手段改良水稻品质,提高水稻的K+吸收利用效率提供有力的理论依据。