AIK参与拟南芥钾吸收的功能分析

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首都师范大学硕士学位论文
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ｗｉｌｄ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｍｕｔａｎｔ·Ｉｎ ４∞ｐＭ Ｋ＋ｍｅｄｉｕｍ，ｔｈｅ ｒｏｏｔｓ ｏｆ ｏｖｅｒｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ｌ玳ｅ ｍｏｒｅ
ｇｒｏｗｔｈ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｔｈａｎ ｗｉｌｄ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｍｕｔａｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｏｖｅｒｅＸｐｒｅｓｓｉｌｌｇ ｌｉｎｅｓ ｉｓ
（１）酶的激活 在植物生长和发育过程中，碳水化合物的合成、转运和蛋白质代谢都需要酶的催化， 而钾是多种酶的活化剂。自从１９４３年Ｂｏｙｃｒ等人首次报道丙酮酸激酶催化活性需要Ｋ十 以来，目前已有６０多种酶的活化需要Ｋ＋的参与。这些酶主要分合成酶、氧化酶和转移
酶三大类，旷一ＡＴＰ酶也需要钾的激活。有证据表明一价阳离子通过在催化位或其附近，
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或有机溶质（如糖）所取代。与Ｃａ２＋相比，Ｋ＋在质外体中的浓度通常很低，但在有些细 胞或组织（气孔、叶枕）中例外，在这些组织细胞的质外体中Ｋ＋的瞬间浓度可以达到 １００ｍＭ。
１．１．１．２钾在植物体内的生理作用
与氮、磷不同，钾不参与任何有机物质的构成，但钾在植物体内的许多生理作用是 其它元素所不可替代的。钾对酶的活化作用是最重要的生理功能，除此之外，钾在参与 蛋白质的合成、调节细胞渗透势、维持细胞的电中性、对阴一阳离子平衡、光合作用及 光合作用产物在韧皮部的转运等方面有重要的作用。
定。 学位论文作者签名：白黼 日期：２００８年５月６日
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第一章文献综述
１．１植物中的钾和土壤中的钾
１．１．１植物中的钾
钾是植物必需的大量营养元素之一，是植物体内含量最丰富的一价阳离子，同时也 是农作物生长发育和维持农业高产必需的营养元素之一。钾在植物体内几乎成离子状 态，部分在原生质中处于吸附状态并且在细胞之间、组织之间以及木质部和韧皮部内具 有高度可移动性。细胞质中Ｋ＋含量丰富，Ｋ＋和与之相伴随的阴离子是非盐生植物细胞和 组织中维持渗透势的主要物质，其浓度是胞质酶保持活性所需的最佳浓度范围，液泡Ｋ＋ 浓度变异比较大，这主要取决于Ｋ＋获得的难易程度及组织类型的差异（Ｌｅｉｇｈ和Ｗｙｎ Ｊｏｎｅｓ，１９８４）。虽然钾在植物的生长发育过程中起着十分重要的作用，但是钾并不直接 参与植物体内组织、器官和生物大分子的形成，而是通过参与植物体的生理、生化过程 来调节植物的生长发育。
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｏｔａｓｈ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｄｅｍ２ｍｄ．
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ＯＤ ＰＡＧＥ ＰＣＲ ＲＴ．ＰＣＲ ＳＤＳ １’ＡＩＲ ．ｎⅥＳ ＂Ｉｒｉｓ
英文缩写表
Ａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎｓ
Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ａｄｅｎｏｓｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｏｖｉｎｅ ｓｅｒｕｍ ａｌｂｕｍｉｎ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＤＮＡ Ｃｙｃｌｉｃ Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ Ｇａｔｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌｓ Ｄｉｅｔｈｙｌ ｐｙｒｏｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｄｅｏｘｙｎｕｅｌｅｏｔｉｄｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ Ｄｉｔｈｉｏｔｈｒｅｉｔｏｌ Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ ｔｅｔｒａａｃｅｔｉｃ ａｃｉｄ Ｈｉｇｈ－ａｆｆｉｎｉｔｙ Ｋ＋ ｌｓｏｐｒｏｐｙｌｔｈｉｏ－··－Ｄ－ｇａｌａｃｔｏｐｙｒａｎｏｓｉｄｅ Ｋｉｌｏ ｂａｓｅ ｐａｉｒ Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｐｅｎｅｒ Ｋ＋ｕｐｔａｋｅ Ｌｕｒｉａ－Ｂｅｒｔａｎｉ ｍｅｄｉａ ３·（Ｎ－ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ）ｐｒｏｐａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ ２－（Ｎ－ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ）ｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ
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ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉ珏ｅｒｅｎｔ ｖ州ｅｔｉｅＳ ｏｆ ｔｈｅ
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捅要
钾是植物生长发育所必需的大量元素之一，是植物体内含量最丰富的一价阳离子。 土壤钾是植物钾素最主要的来源，然而土壤缺钾以及钾肥短缺已经成为制约我国、甚至 世界农业生产发展的重要限制因子之一。不同物种之间或同一物种的不同品种之间具有 钾营养效率差异，植物的这种钾营养效率差异是可遗传的。提高农作物自身的钾营养效 率是解决作物生产中钾资源短缺的重要途径之一。
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关键词：拟南芥，钾含量，生物量，钾吸收
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｐｏｔａｓｓｉｕｍ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ，Ｋ＋ｃｏｎｔｅｎｔ，ｗｅｉｇｈｔ，Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ａｂｓｏ叩ｔｉｏｎ
Ⅱ
ＡＢＲＣ ＡＴＰ ＢＳＡ ｃＤＮＡ ＣＮＧＣ ＤＥＰＣ ｄＮＴＰ ＤＴＴ ＥＤＴＡ ＨＡＫ ｐＴＧ Ｋｂ ＫＣＯ ＫＵＰ ＬＢ ＭＯＰＳ
ＭＥＳ ＭＳ
本研究以模式植物拟南芥为材料，通过对过表达株系、野生型植株及ＡＩＫ突变体植 株的表型比较，发现过表达植株在正常ＭＳ上表现出冠部较小的表型，生物量及钾含量 也低于野生型和突变体；而在４００ １．ｔＭ Ｋ＋培养基上其根部却较野生型和突变体有生长优 势，生物量和钾含量较野生型无明显差别，过表达材料的生物量较野生型高，而钾含量 却略低。钾吸收动力学实验也表明：过表达植株无论在高浓度钾条件下（外界Ｋ＋浓度 为ｌ ｍＭ）还是在低浓度钾的条件下（外界Ｃ浓度为２５０¨Ｍ），过表达植株的钾吸收能 力均差于野生型和突变体植株，以上结果说明ＡＩＫ基因的过表达无论在外界高钾还是低 钾环境中都负面地影响了植株的钾吸收。
ｓａｍｅ ｓｐｅｃｌｅＳ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｔ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ Ｓｕｃｈ ｄｉ彘ｒｅｎｃｅｓ ｃａＩｌ ｂｅ
ｐｏｔａｓｓｉｕｍ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｇｅｎｅｔｌｃ·Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｏｆ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｗａｙｓ ｔｏ ｏபைடு நூலகம்ｅｒＣｏｍｅ
ｗｉｌｄ－ｔｙｐｅ ａｎｄ ｍｕｔａｎｔ ｐｌａｎｔｓ．Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｅＸｔｅｍａｌ Ｋ＋
ｃｏｎＣｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ａ／Ｋ ｈａｓ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ
或在变构位上与酶相互作用而起活化作用（刘峰和聂荣邦，２００４）。钾对酶的活化在植 物生命中具有至关重要的作用，由Ｋ＋活化了的酶往往在代谢过程中起着关键作用。
（２）蛋白质合成 钾虽然不参与生物大分子的构成，但却参与了蛋白质合成的多个步骤，包括核糖体 的合成、ｔＲＮＡ的合成、ｔＲＮＡ与核糖体的结合、氨酰一ｔＲＮＡ的形成、肽基转移、ＧＴＰ的 利用、ｍＲＮＡ的移位（Ｅｖａｎｓ和Ｗｉｌｄｅｓ，１９７１）。另外，钾能促进碳水化物的代谢，产生 有机酸作为氨的受体，有利于氨基酸的形成。钾促进蛋白质合成的最适浓度为３０－－一４０ ｍＭ（刘峰和聂荣邦，２００４），合成蛋白质所需要的环境Ｋ＋浓度比酶的激活所需要的环境 Ｋ＋浓度高。除此之外，Ｋ＋对提高蛋白质的稳定性也起有很重要的作用。 （３）细胞渗透调节 Ｋ＋是植物细胞中主要的渗透调节物质，在作物汁液中的浓度一般为１００～２００ ｍＭ， 占整个渗透压摩尔浓度的４３％，Ｋ＋可以通过改变渗透势在植物体内形成连续的水势梯 度，促进水分的吸收和在植物体内运转（张恩平等，２００５）。植物液泡中的Ｋ＋主要起渗 透剂的作用，调节细胞的水势和膨压，从而调节气孔开闭和植物运动。 Ｋ＋通过选择性通道出入保卫细胞，改变渗透势而导致水分的流动，引起气孔启闭。 气孔的开放是保卫细胞吸收Ｋ＋、各类阴离子及蔗糖等渗透物质引起水分进入保卫细胞并 引起细胞体积膨胀的结果。Ｋ＋及各类阴离子外流，蔗糖向外转移以及苹果酸转化为低渗 透势的淀粉，保卫细胞渗透势降低、水分外移、体积缩小则引起气孔关闭（Ａｓｓｍａｎｎ， １９９３）。通过改变气孔开闭来调节蒸腾作用，从而有效地防止植物过分失水和萎蔫。 此外，细胞内Ｋ＋的积累可以引起细胞伸展，而且由Ｋ＋引起的细胞彭压的变化导致了 植物的某些节律运动，如某些豆科植物叶片的节律运动。
１．１．１．１钾在植物体内的含量和分布
钾与氮、磷并列，是植物生长发育所需的“三大元素”之一，可占到植物干重的２％～ １０％（Ｌｅｉｇｈ和Ｗｙｎ Ｊｏｎｅｓ，１９８４）。由于Ｋ＋的高度可移动性，保证了离子状态的Ｋ＋在植物 体各组织的广泛分布。但Ｋ＋通常优先分布于籽粒、花、上部茎叶、幼芽、幼叶、根尖生 长点、形成层等生长活跃的部位（胡笃敬等，１９９３），而在成熟的组织和种子中含量较 低。钾在烟株根、茎、叶中的分配比例大约分别为１０％、２４％、６６％（曹志洪等，１９９１ 年）。
Ｋ＋在植物体内的快速移动取决于环境中钾向植物根的供给，如生长在田间的小麦， 除籽粒以外，植株中钾的含量均比生长在Ｋ＋营养液中的小麦低的多。在大多数情况下， 钾含量的这些差异与细胞膜和细胞结构、行为的不同以及细胞内钾的区隔化有关（Ｌｅｉｇｈ 和Ｗｙｎ Ｊｏｎｅｓ，１９８４）。植物细胞质中Ｋ＋浓度保持在１００＂－＇２００ ｍＭ之间（Ｌｅｉｇｈ和Ｗｙｎ Ｊｏｎｅｓ，１９８４），叶绿体中Ｋ＋的浓度范围为１２０＂－－３００ ｍＭ（Ｗｙｎ Ｊｏｎｅｓ等，１９７９），玉米 和花椰菜的线粒体中Ｋ＋的浓度为１３０ ｍＭ左右（Ｆｌｕｅｇｅｌ和Ｈａｎｓｏｎ，１９８１）。在这些区 域（代谢库），Ｋ＋的作用是不能被其它无机阳离子（如Ｎ矿）所代替的。与细胞质相比， 液泡中的Ｋ＋浓度变动很大，其浓度可在１０＂一３００ ｍＭ的范围之间变化（Ｐｉｅｒｃｅ和 Ｈｉｇｉｎｂｏｔｈａｍ，１９７０；Ｈｓｉａｏ和Ｌａｕｃｈｌｉ，１９８６）。在气孔保卫细胞的液泡中，Ｋ＋浓度甚至 可以达到５００ ｍＭ（Ｏｕｔｌａｗ，１９８３＞。细胞伸展和其它膨压驱动的生理过程与在液胞中 Ｋ＋的浓度密切相关。在液胞中，Ｋ＋的渗透功能可以被其他阳离子（如Ｎａ＋、Ｍ９２＋、Ｃａ２＋）
龟弗侈 学位论文作者签名：
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疋
日期：２００８年５月６日
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