细胞内钾离子动态平衡调控大麦抗旱信号转导途径的研究

Drought is one of the major environmental constraints limiting substainable crop production worldwide. Osmotic adjustment is the key adaptation of plants at the cellular level to minimize the effects of drought-induced damage in crop plants. Potassium (K+), as one of the essential macronutrients, is a crucial osmoticum for plant cell osmotic adjustment to maintaine water absorption.In this project, Tibetan wild annual barleys and cultivated barleys will be used to reveal the role of intracellular K+ homeostasis in plant adaptation to drought and its specific signalling pathway. By using the contrasting genotypes, four main objectives will be addressed: (1) to elucidate the correlation between intracellular potassium homeostasis and barley drought tolerance; (2) to clarify the genetic variation of drought adaptation in wild and cultivated barley; (3) to identify the specific K+ channels conferring control of intracellular K+ homeostasis under drought stress in barley; (4) to illustrate the signalling pathway controlling intracellular K+ homeostasis adapting to drought. The results obtained in this research will be helpful for understanding the genetic diversity of barley germplasm resources,developing new mechanisams of barley drought tolerance and providing noval genes and theories for breeding new varieties with drought tolerance.

干旱是一种严重制约农业生产可持续发展的环境胁迫因子。系统了解植物对干旱胁迫的适应机制是改良作物抗旱性的理论基础。渗透调节是植物细胞适应干旱胁迫的关键机制。钾离子，作为植物必需的矿质元素之一，是维持植物细胞渗透势、保证水分吸收的重要渗透调节物质。研究细胞钾离子动态平衡对干旱胁迫的响应及其信号转导途径对阐明植物抗旱性具有重要意义。本项目以西藏野生大麦和普通栽培大麦为试验材料，旨在（1）阐明细胞内钾离子动态平衡与大麦抗旱性的相关性；（2）分析野生大麦与栽培大麦在干旱胁迫适应机制上的差异；（3）鉴定参与细胞内钾离子动态平衡调控大麦抗旱性的主要钾离子通道；（4）绘制细胞内钾离子动态平衡调控抗旱性的信号路径。本项目研究成果可深入了解大麦种质资源的遗传多样性与应用途径，完善和丰富大麦抗旱性的信号调控机制，并为挖掘优异抗旱基因资源和培育抗旱新品种提供重要的理论基础。

干旱是制约农业生产可持续发展的重要环境胁迫因子。系统了解植物对干旱胁迫的适应机制是改良作物抗旱性的理论基础。渗透调节是植物细胞适应干旱胁迫的重要机制。钾离子，作为植物必需的矿质元素之一，是维持植物细胞渗透势、保证水分吸收的重要渗透调节物质。研究细胞钾离子动态平衡对干旱胁迫的响应及其信号转导途径对阐明植物抗旱性具有重要意义。本项目采用PEG模拟干旱和直接缺水干旱两种处理模式对400余份栽培和野生大麦材料进行抗旱性鉴定和抗旱种质筛选，证明大麦具有广泛的抗旱性基因型差异，并发现一批具有极显著抗旱性差异的大麦种质资源，随之以这些抗旱性差异极显著大麦种质为实验材料，采用微电极离子流检测技术结合K离子含量测定，揭示大麦根系K离子的大量内吸是干旱胁迫下渗透调节的重要组成。项目研究亦发现，大麦根系根尖和成熟区细胞对干旱胁迫具有不同的抗性，通过转录组和小RNA组测序分析，发现两个根区细胞转录组和小RNA组在对干旱胁迫的响应上具有显著的差异，证明两个根区的细胞对干旱确实具有较为独立的响应和调控机制；对获得基因数据深入挖掘，发现AKT1、HAK1、SKOR、TPK1、HAK5 这五个K离子通道或转运蛋白基因在保护大麦根系抵御干旱胁迫具有重要的作用。为进一步验证这些基因的功能并揭示相关调控机制，项目利用BSMV-VIGS基因沉默技术结合非洲爪蟾卵母细胞异源表达电压钳和非损伤微电极离子流检测等先进试验技术证明，大麦钾离子通道HvAKT1、HvAKT2和钾转运蛋白HvHAK1在大麦响应干旱胁迫上发挥重要作用，它们在干旱胁迫下可有效提高大麦细胞内K离子的浓度，从而减弱干旱引起的渗透胁迫对大麦细胞的破坏，从而提高大麦植株在干旱环境下的抗性。细胞内信号分子NO和H2O2的水平影响HvAKT1, HvAKT2 与 HvHAK1的表达和活性，从而调控大麦的抗旱性。