钾是植物体内最多的无机阳离子,是植物生长发育和新陈代谢所需最重要的元素之一,钾在土壤中主要以速效钾的形态被植物吸收和利用,并以可溶性无机盐或离子形式广泛分布于植株的各个组织中。在自然和农业生产中,植株会经常遭遇到土壤中有效和可溶性钾的极度缺乏,因此,为了适应钾的缺乏,保持植株体内钾离子的平衡,植物在长期的进化过程中形成了许多的适应机制以减轻或应对钾缺乏,包括根系形态结构的改变、改善根际土壤化学性质、高亲和钾转运蛋白和低亲和的钾离子通道蛋白的诱导、响应基因的调控表达等。植物从外界环境吸收和转运有效钾主要是通过植株根系细胞膜上多种不同亲和力的钾转运和通道蛋白表达来完成。迄今为止,钾离子通道蛋白和转运蛋白在模式植物拟南芥中已得到深入研究,发现至少有71个钾转运体和钾通道与植物钾营养的调控有关。钾素是大豆不可或缺的必需元素,但对大豆中钾转运和通道蛋白的功能和表达调控机制却知之甚少,为了明确大豆在低钾胁迫条件下相关钾转运和通道蛋白的表达模式以及相关胁迫基因的响应机制,本研究利用主成分分析对不同大豆基因型进行耐低钾性状的评价,同时根据表型性状及根系特征等相关指标筛出耐低钾胁迫和不耐低钾胁迫品种,通过对这两个品种的Solexa/Illumina测序进一步了解不同耐性大豆品种间胁迫响应基因的差异表达,利用Real-Time PCR研究了不同钾转运和通道蛋白的表达模式,对获得的钾转运蛋白基因采用绿色荧光蛋白融合KT(K+transporter)进行亚细胞定位;通过转化拟南芥以及大豆对候选基因的功能进行初步的验证,期望得到钾高效的转基因大豆植株。通过研究获得了以下主要结果：1.在低钾条件下,评价不同大豆基因型对耐低钾胁迫的反应,利用主成分分析和评价,得到了耐低钾品种油06-71、徐豆8号、徐豆13号和中豆33,以及不耐低钾品种鄂豆4号、湘春10号、衡春04-11和中黄13。根据表型性状、根系相关指标、吸收动力学参数等指标筛选得到耐钾品种油06-71和不耐钾品种衡春04-11。2.将油06-71和衡春04-11进行低钾胁迫处理,0h、0.5h、2h、6h、12h、3d、6d、9d、12d后的大豆根系和叶片组织用于研究GmKAT1、 GmKC1、GmKUP、GmKEA、 GmKAB1和GmAKT26个钾转运和通道蛋白基因的表达模式,结果显示,GmKC1和GmKEA在两个品种中的表达量均显著提高,表明GmKC1和GmKEA是受低钾诱导强烈表达,GmKUP和GmKATl在耐性品种中表达量有所增加,推测这4个基因与耐低钾调控有关。此外,GmAKT2和GmKABl在两个品种中表达差异不显著,表明GmAKT2和GmKABl是受低钾轻微诱导表达的。3.利用Tbpred预测服务器来预测GmKUP和GmKEA的亚细胞定位,其预测结果为GmKUP和GmKEA是整合性膜蛋白,为了验证GmKUP和GmKEA的亚细胞定位预测结果,将GmKUP和GmKEA与绿色荧光蛋白(GFP)进行融合,通过农杆菌侵染转化到洋葱表皮细胞中,可以观察到细胞周围有着清醒的荧光信号,而转化空载的细胞则观察到整个细胞充满荧光信号。GmKUP/GFP和GmKEA/GFP融合蛋白定位在细胞的周围,表明这两个蛋白定位在细胞膜上。4.将GmKUP和GmKEA基因在拟南芥中过表达以研究其在低钾胁迫下所行使的功能。研究结果表明,尽管GmKEA基因表达量随低钾胁迫处理时间的延长而增加,但GmKEA的过表达并不能使其过表达材料具有耐钾胁迫的表型,其过表达材料的钾含量显著降低。而GmKUP则在基因表达量、钾含量、钾吸收速率和低钾胁迫表型等指标上优于野生型对照,在一定程度上弥补了由于低钾胁迫对植株造成的损害。与正常处理相比,GmKUP过表达材料在低钾胁迫条件下根系生长相对缓慢,这或许是过表达使GmKUP转运蛋白数量和活性的增加仍不能完全满足植物对钾的需求。5.为验证耐钾相关基因的功能,我们对大豆遗传转化进行了初步的研究,对转化过程中所涉及的相关步骤进行优化,包括转化受体,乙酰丁香酮(AS)浓度,农杆菌侵染时间和侵染浓度的选择,获得部分转基因植株,为今后大豆钾高效基因的批量遗传转化奠定基础。.