钾是植物生长发育所必需的大量元素之一。土壤溶液中的钾浓度在0.025～5 mM,但在植物根际钾浓度通常低于0.3 mM。但即使在钾充足或施用钾肥的土壤中,钾的有效性也会受到如干旱等的影响而下降。这就意味着植物在其生长发育的各个阶段都可能会遭受低钾胁迫。植物根系感受并响应根际钾胁迫对于植物适应钾胁迫具有重要意义。烟草是重要的经济作物,钾对于烟草的生长和品质都非常重要。烟草虽然是直根系作物,可其主根并不发达,其根系主要是由多级侧根组成的。在钾胁迫条件下烟草根系形态是如何响应的目前并不清楚。生长素作为一种重要的植物内源激素,在植物侧根萌发和侧根伸长过程中起到重要作用。在钾胁迫条件下生长素是如何参与低钾调控烟草侧根生长发育的机制也不清楚。本文以烟草为试材,首先研究了钾胁迫条件下烟草根系形态的变化,在此基础上研究了生长素在烟草植株体内的分布及生长素外流转运体PIN基因的表达,然后通过施用外源生长素NAA和生长素运输抑制剂NPA来进一步明确生长素在参与低钾胁迫调控烟草根系生长中的作用。主要结果如下:1·采用温室水培处理,研究正常钾营养(2 mM)和低钾胁迫(0.01 mM)条件下烟草地上和根系的生物量、钾含量以及侧根发生和伸长的变化。结果表明,与正常钾处理(2mM)相比,钾胁迫处理下(0.01mM)烟草地上部和根系的生物量显著下降;总根长和根系体积也显著下降,降幅分别为26%和50%,。进一步的分析表明,本实验条件下钾胁迫处理导致烟草根系长度的降低的原因是因为烟草的一级侧根的发生和伸长受抑制造成的。通过研究一级侧根的发生和伸长的动态变化发现,在钾胁迫处理第7天开始,与正常钾处理相比一级侧根的发生和伸长开始出现显著下降。2.采用温室水培处理,在两个钾处理下利用HPLC测定烟草倒一和倒二叶及根系的生长素浓度,明确生长素在烟草体内的分布;利用DR5::GUS转基因烟草进一步确定钾胁迫条件下植株体内生长素的分布;利用[3H]IAA来研究钾胁迫下生长素极性运输的影响;利用定量PCR手段,研究钾胁迫和正常营养下侧根中PIN基因表达差异。结果表明,与正常供钾处理相比,钾胁迫条件下烟草植株倒一叶、倒第二叶和根系的生长素浓度均显著降低,降幅分别为34%、32%和43%,;与此相对应的是,新生叶、根茎结合处和根尖的DR5::GUS表达量均显著降低,这说明加胁迫条件下生长素的合成与运输都受到抑制;进一步[3H]IAA极性运输试验结果表明根系中[3H]IAA放射性活度显著降低;qPCR的结果表明,生长素极性运输基因PIN1,PIN1b,PIN4和PIN9在钾胁迫下均发生下调,其中PIN4和PIN9下调幅度较大;而PIN3和PIN3b在两种钾营养下均没有显著差异·综上所述,与正常供钾处理相比,钾胁迫条件下生长素从地上部向根系的运输烟草显著被抑制,PIN1、PIN1、PIN4和PIN9这四个基因在调节钾胁迫下生长素的极性运输中起到重要作用。3.前期的研究表明,钾胁迫抑制了烟草的一级侧根的发生和伸长。而且钾胁迫抑制了生长素从地上部向根系的极性运输。但是钾胁迫下根系生长的变化是否与根中生长素浓度的下降相关并不清楚。因此我们在两种钾营养处理分别施加NPA和NAA,调查研究一级侧根的数量和平均长度的变化差异,同时利用DR5::GUS材料观察植株各部位生长素活性变化。结果表明,钾胁迫施加NAA处理下,一级侧根的数量和平均长度显著增加,根茎结合处和根尖的DR5::GUS表达量也显著增加,并且其数量长度和表达水平与正常供钾相似;与此相对应的是,外源NPA的作用正好与之相反。因此,烟草侧根响应钾胁迫的过程与根系中生长素浓度降低关系密切。