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钾(K)是植株体内最大量的阳离子,在植物的生长和发育过程中对诸多生理生化反应起关键作用。土壤颗粒的强吸附和固定作用导致K的可移动性下降,全球大面积的可耕作土壤中(比如中国3/4的水稻田和南澳洲2/3的小麦田),植物根系可以有效利用的K含量有限。植株通过利用体内不同的K转运体系,从土壤溶液中有效吸收K并转运到地上部,进而在不同器官的细胞中以最适浓度分配和完成从源到库的再循环过程,来满足对K的大量需求。在植物中,有通道和载体两大转运体系行使K的吸收和分配功能。KT/KUP/HAK转运蛋白被预测可以在低钾和高钠条件下维持植物体内的K和Na稳态。我们在这里报道了OsHAK1(KT/KUP/H K基因家族成员之一)在水稻植株中的表达模式和生理功能。缺钾胁迫抑制植株根系的生长和降低根冠比,进而限制根系从培养介质中吸收K。WUSCHEL相关的同源异形盒基因WOX11通过整合生长素和细胞分裂素信号来调控根细胞的增殖。本研究目的是验证在低钾供应条件下,通过增加水稻根系体积和促进不定根的发育是否能够提高K的吸收效率。我们选用OsHAK16基因(编码K转运蛋白且受缺钾诱导上调表达)的启动子,启动OsWOX11在根系中表达。缺钾胁迫抑制同化物的韧皮部转运。光合产物的减少和转运的抑制导致同化物向异养器官的供给显著降低,最终抑制他们的生长。CSA被报道是在水稻雄性生殖发育过程中调控糖分配的关键转录因子。本研究中,我们同时选用两个受缺钾诱导上调表达基因(OsHAK7和OsHAKI6)的启动子和一个组成型表达基因(Ubiquitin)的启动子,启动CSA在转基因水稻不同部位不同程度的表达,以期通过改善CSA基因的表达来促进糖的分配,进而提高植株的低钾耐受性和产量。所获得的主要结果如下:1.OsHAK1在不同组织中受缺钾或高盐胁迫上调表达,尤其在根尖和茎顶端分生组织、根的表皮和中柱以及地上部的维管束中。与对应的Dongjin和Manan品种的WT相比,两个oshak1突变体中的K浓度显著降低,根系和地上部生长受到显著抑制。OsHAK1突变使植株单位根表面积的净K吸收速率在0.05-0.1 mM和1 mMK供应条件下分别减少了～50-55%和～30%,而总钾吸收分别减少了～80%和-65%。盐胁迫进一步加大突变体和WT在生长、K吸收和向地上部转运方面的差异。oshak1突变体根系的高亲和净K吸收对盐胁迫敏感而对铵胁迫不敏感。提高供K浓度依然不能完全消除oshak1突变体受抑制的生长表型和K的吸收。过量表达OsHAK1促进K的吸收和K/Na的提高。突变体中K的浓度和地上部生物量的正相关关系表明,OsHAK1在高、低钾条件下对促进K介导的水稻生长和提高植株耐盐性具有关键作用。2.编码低钾诱导上调表达的K转运蛋白基因OsHAK16的启动子启动WOX11的异位表达,可以显著增加水稻根系体积、不定根数和有效分蘖数。WOX11通过调控一些编码A型细胞分裂素响应因子的RR基因、编码生长素外运蛋白的PIN基因和AUX/IAA基因的表达来改变转基因水稻根系和地上部的表型。与WT相比,在低钾供应条件下,转基因株系的根系生物量、根系活力、整株的K浓度和根中的可溶性糖浓度均显著增加。在转基因水稻叶片中OsSUT1和O&SUT4以及根中一些OsMSTs的表达量显著提高表明OsHAK16p:WOX11的表达促进糖向根中分配。OsHAK16p:WOX11转基因水稻在中度缺钾土壤中的总钾吸收和产量分别提高了 72%和24%-32%。3.不论供钾水平高低,组成型超表达CSA可以显著促进营养生长期植株的生长,提高体内糖代谢和增加K的积累,然而在生育后期会导致分蘖散开和延迟4周开花的表型。OsHAK16p:CSA转基因水稻根中CSA的表达量显著提高,但表型与非转基因对照相似。低钾诱导上调表达的OsHAK7基因的启动子启动CS4的异位表达,可以显著增加水稻分蘖数、增大分蘖角度和延迟开花。OsHAK7p:CSA转基因水稻叶鞘中OsTB1的表达被抑制,而PROG1和OsTAC1(被报道是分蘖数和分蘖角度的调控因子)的表达量却显著增加。CSA的上调表达在长日照条件下抑制开花激活途径并且促进开花抑制途径,从而导致转基因水稻延迟2周开花。与WT相比,转基因水稻源叶中的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性和库器官(例如根系和小穗)中的酸性转化酶活性显著增强,尤其在低钾条件下,韧皮部转运通路和库器官中的可溶性糖浓度、整株的K浓度均显著高于WT。一些糖转运相关基因(OsSUTs和OsMSTs)以及K吸收相关基因(OsAKT1和OsHAK1)的上调表达表明OsHAK7p:CSA的表达提高了糖的转运效率和净K吸收速率。OsHAK7p:CSA的表达促进糖的合成、转运和干物质转运,转基因水稻在中度缺钾土壤中的总钾吸收和产量分别提高了 137%和147%。综合以上结果表明,OsHAK1可以作为提高水稻低钾耐受性的候选基因。通过利用缺钾诱导表达的HAK基因启动子启动WOX11在根中和CSA在地上部高表达来促进水稻根系的生长和发育以及糖的代谢,为培育钾高效吸收的高产新品种提供可行的转基因方案。