[发明专利]钾离子转运体蛋白HbRSAR1及其在调控植物对钾转运中的应用

说明书

本发明公开了一种从盐生野大麦中分离、鉴定高效钾离子转运体HbRSAR1及其相关生物材料与应用。将编码钾离子转运体蛋白HbRSAR1的基因导入拟南芥、二穗短柄草和钾离子转运缺陷型酵母Cy162的转基因实验证明，过表达相关基因显著促进了逆境环境下，尤其是盐胁迫环境下的钾离子转运效率，同时促进多种胁迫下植物根系的生长发育，包括根毛的伸长和侧根的生长。说明其与钾离子的转运相关，可用于促进植物对钾的吸收利用，提高植物产量。

技术领域

本发明涉及生物技术领域中钾离子转运体蛋白HbRSAR1及其在调控植物对钾转运中的应用。

背景技术

植物的抗逆性一直以来是现代农业发展的瓶颈问题，应用特殊抗逆种质资源挖掘独特抗逆机理，对改善环境、提高土地的利用率和作物的产量具有异同寻常的意义。盐生的野大麦(Hordeum brevisubulatum(Trin.)Link)是禾本科大麦属的多年生盐生植物，适应性强，尤其能够在含盐量0.6-1.0％的重度盐碱地上生长良好，表现出非常强的耐盐特性。盐生野大麦不仅是优良牧草，更是改良盐碱地的先锋植物，同时作为大麦、小麦的野生近缘种，能够为改良农作物的抗逆性提供优良基因库，具有极广的推广应用和研究价值。盐生野大麦的研究多局限于形态、解剖及生理特性方面的研究，对其独特的耐盐调控分子机制知之甚少。研究中发现盐生野大麦的耐盐特性主要依赖于其在盐胁迫下保持较高的钾钠比，维持离子平衡。钾是植物细胞中最丰富的阳离子，占细胞干重的10％，除了作为酶的辅助因子，调节渗透势，带动细胞延伸生长等基本功能外，钾对提高植物的抗逆性具有重要的作用，但具体机制知之甚少[1]。

植物种子萌发后，根系便连续快速地扩大生长和延伸，以便吸收更多的营养物质，根系的发达程度直接决定植物地上部分的生长，同时根系是最先感知土壤环境变化并做出反应的器官，包括主根、侧根和不定根[2]。植物所有根系的宏观、空间排列统称为根系结构RSA(Root System Architecture)，高等植物的RSA主要通过维持根尖分生组织的胚胎后发育，生成根分支所必需的新原基以及在表皮细胞层上形成根毛[3]。在生物和非生物胁迫下，根系结构的可塑性和多样性会直接决定植物的生长状态[4]。盐胁迫导致植物根系生长迟缓，表现为根的长度减小(主根和侧根)，侧根的数目减少，改变了根系构型，同时根毛的形成受阻及根的向性发生改变[5-7]。根系的减少大大降低了根的吸收面积，造成植物营养物质的匮乏，延缓了植株的生长。矿质营养对植物的结构、信号传导、物质代谢等方面具有基础性的作用，是植物生长必不可少的营养物质。这些矿质营养物质几乎全部来自于根系从土壤的吸收，同时可塑性强的根系会对土壤中矿质元素的条件和环境的改变即时地做出反应[8]。多种矿质元素对根系构型有重要的影响，包括氮、磷、钾、硫、镁、铁、钙、锌、硼等。以拟南芥为例，硫、镁、铁和氮的缺乏导致侧根密度的减少，而钙、锌、硼和磷的缺乏促进侧根的生长，但多数矿质元素的作用机制仍然未知[38]。

植物中的钾离子含量很高，当细胞无法维持细胞质中100mM的钾离子浓度时，相关生理功能受到抑制。因此含高浓度钾的植物常常被称为具有“保险机制”，在逆境胁迫时，存活率明显高于其他植物[9]。盐胁迫下，大量钠离子会造成钾离子的流失，植物因无法获得足够的钾离子，许多生理功能受到限制，阻碍植物生长。在水稻和拟南芥中已报道多个钾离子吸收转运体的突变体会表现出对盐敏感的表型[10-13]。近几年，盐胁迫下的钠钾平衡及调控是研究植物耐盐的一个重要方面，并在钠离子的外排和钾离子的高效吸收方面取得了一系列优秀的研究成果，然而钾离子是通过什么机制提高植物耐盐性的鲜有报道。

钾与根系的生长发育有密切的关系，但调控机制仍然未知。拟南芥在钾匮乏的条件下抑制侧根发育，而在钾充足时能够有效提高侧根的数量和长度。目前，钾如何调控根系发育还知之甚少。拟南芥钾离子转运体TrH1的突变体表现出破坏根毛生长的表型，同时研究发现TrH1的缺失造成生长素的分布发生紊乱[14]。水稻中的OsHAK5调控植株的分蘖数，侧根和根毛的长度[15]。这些研究成果肯定了钾的信号通路与侧根发生发育的信号通路是有交叉的，但最核心和关键的调控机制仍迄待挖掘和解析。

发明内容