[发明专利]一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫的方法及其中使用的重组表达载体

说明书

技术领域

本发明属于基因工程技术领域，涉及一种改善植物钾素吸收效率，对抗缺钾胁迫的方法及其中使用的重组表达载体。

背景技术

钾是植物生长发育过程中非常重要的大量矿质营养元素之一，占到了植物干重的10％[1‐3]。钾对维持离子稳态、渗透调节、蛋白代谢、酶活、膜极化和繁多的代谢过程有关键的作用[4‐6]。此外，植物体中重要的生理过程：光合、光呼吸以及生长，都受到可利用钾的影响[7,8]。土壤中钾浓度范围在0.1‐1mM，由于局部耗竭，在植物根际土壤中的钾浓度会显著低于上述水平[9]。钾可用性受到植物生长环境的限制，钾缺乏会导致植物体内总钾量降低，尤其在根部快速发生[10‐14]。长期缺钾，植物会呈现生长抑制和黄化病，尤其在老叶中首先出现[15]。在农艺生产上，发展中国家经常采取施用化肥来提高作物的产量和质量，然而大量使用化肥，不仅不会提高产量，反而会导致土壤中营养元素的流失并造成环境污染。与此相反，在很多资源有限的国家，不充分的施肥限制了作物的最优产量[16]。因此通过有效的生物技术手段，提高植物自身对土壤中有效钾的利用，减少与完善钾肥的使用与管理，对于生态环境的保护和资源的可持续利用有重要意义。

随着生物技术的迅速发展，植物体中参与钾吸收和转运的分子机制以及对有效钾不同程度上的分子响应机制越来越多的被研究发现。基于目前的研究进展，植物采取4大策略来提高对钾的利用效率：(1)增加根系体积；(2)提高土壤中钾的吸收效率和在植物体内的转运；(3)增加土壤中钾的可移动性；(4)通过对与钾利用有关的数量性状的研究，用分子标记辅助的分子遗传育种手段创建钾高效利用的新品种[17]。缺钾不仅影响植物侧根的发生和发育[18]，也抑制了主根的生长[19‐21]。在拟南芥中，低钾胁迫对侧根和主根的生长有拮抗作用[22]。在水稻中，钾饥饿降低了植株的根冠比[23]。因此，改善根系生长是植物提高对缺钾胁迫的适应最直接和有效途径。

KT/HAK/KUP基因家族在众多植物中先后被发现，该家族中的很多基因，例如AtHAK5,CaHAK1,HvHAK1,LeHAK5,ThHAK5在缺钾胁迫时显著诱导表达[24‐27]。在水稻的27个HAK基因中，OsHAK1,OsHAK5,OsHAK7和OsHAK16在钾饥饿胁迫下，根系中的表达量显著上调[28‐31]

WUSCHEL相关的同源异形盒基因WOX是发育的调控的因子[32]。WOX基因家族在拟南芥和水稻中至少分别有15和13个成员组成，它们中的一些参与了调控植物根系发育过程中细胞的分裂和分化过程[33‐35]。例如，在拟南芥中，WOX2和WOX8调控了胚根形成过程中细胞的分化[36]。WOX5对茎顶端分生细胞的维持有重要作用[37]。WOX9参与了根尖早期的胚性生长[38]。在水稻中，WOX3A对侧根和根毛的发育都起作用[33，34]。WOX11通过直接抑制不定根原基中A型细胞分裂素相应因子RR2的表达，对不定根的发生和生长起关键作用[39]。将根发育相关基因在植物根系中特异受缺钾胁迫诱导表达，使植物在钾饥饿逆境条件下通过增加根系生长来提高钾的吸收利用效率的应用研究鲜有报道。

1.Adams,E.and Shin,R.(2014)Transport,signaling,and homeostasis of potassium and sodium in plants.J.Integr.Plant Biol.56,231‐249.

2.Leigh,R.A.and Wyn Jones,R.G.(1984)A hypothesis relating critical potassium concentrations for growth to the distribution and function of this ion in the plant cell.New Phytol.97,1‐13.

3.Walker,D.J.,Leigh,R.A.and Miller,A.J.(1996)Potassium homeostasis in vacuolate plant cells.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93,10510‐10514.

4.Amtmann,A.,Hammond,J.P.,Armengaud,P.and White,P.J.(2006)Nutrient sensing and signalling in plants:Potassium and phosphorus.Adv.Bot.Res.43,209‐257.