玉米保卫细胞钾离子平衡与感应调控的分子机制

玉米保卫细胞ZmK2.1是一个严格的低亲和力钾离子通道。在保卫细胞外部钾离子低于mM浓度水平时，通道处于失活（关闭）状态。这是该类通道区别于拟南芥等双子叶植物中与之同源的Shaker型钾离子通道的独特功能特征。在细胞外部钾离子浓度较高时，ZmK2.1主导玉米保卫细胞中钾离子的流入并调控气孔的开放。然而，ZmK2.1型通道的这种钾离子感应的分子基础和调控机制仍然未知。本申请项目在申请人原有发现的基础上，进一步深入探讨ZmK2.1受外部钾信号调控的位点（分子基础）和作用机制，并通过比较玉米、水稻和拟南芥（双子叶植物）等物种中类似通道的电生理功能特征，借以揭示ZmK2.1及其所代表的钾离子感应调控机制的物种专一性。研究的目标之一是从科学问题探讨角度研究作物中钾离子感应的分子机制；此外，对作物内部钾离子转运和调控机理的进一步认知，有助于为通过生物学技术改良作物的钾素营养性状提供理论依据。

此课题基本完成了项目申请时涉及的三个主要方面的内容：1) 探索了玉米ZmK2.1感应外部钾浓度的分子机制。通过对玉米ZmK2.1和拟南芥AtKAT1 Linker置换后的嵌合体进行双电极电压钳的电生理实验，发现暴露在细胞膜外面的S1-S2Linker和S3-S4Linker不是钾感应的部位，但S1-S2Linker和S3-S4Linker贡献于通道对细胞外质子的敏感性，进而调控通道对钾的吸收；此外还发现 ZmK2.1和AtKAT1的S1-S2Linker对控制电压敏感性具有重要的作用，而前人对此区域在通道电压敏感性方面的作用还未见报道。 2) 研究“ZmK2.1”型钾感应调控机制是否具有物种专一性。从筛选的钾敏感型水稻品种“日本晴”中克隆了OsK2.1,并对其表达定位及功能特性进行了研究。实验发现OsK2.1也具有钾感应的功能特征，证实了钾感应调控机制不仅存在于C4植物玉米中，也极有可能普遍存在于禾本科单子叶植物中。3）通过克隆不同物种来源的Shaker型KAT类钾通道成员基因比较研究其功能特征，实验发现水稻OsKAT1与已报道的KAT类气孔型钾通道相比具有独特的功能特征，即OsKAT1在根中表达，是水稻根系高效吸收K+和NH4+的独特通道，对喜铵作物水稻具有重要意义。