钾转运体OsHAKa在水稻适应盐胁迫过程中的生理功能研究

K+/Na+ homeostasis appears to be critical to plant salt tolerance. Beside reducing Na+ transport to shoot and accumulation in cytosol, plants also need to recruit K+ transporters for regulation of K+ uptake and distribution in order to survive in salinity. However, up to now, the molecular basis that supports this notion is still unclear. High-Affinity K+ transporters (HAKs) form a important gene family among K+ transporters. 27 OsHAKs have been identified from rice genome, but their physiological function are still unclear. Using reverse genetic screen, we identified a null mutant, oshaka, which is more sensitive to salinity compared with wild type. Expression of OsHAKa is significantly induced by salt stress. According to these results, a research project has been designed. In this project, we will test the phenotype of different transgenic materials including RNAi lines, complementation lines and overexpression lines to confirm whether OsHAKa is involved in rice salt acclimation. Futhermore, transcriptional mode, subcellular localization and the transporter activity will be assayed. The aim of this project is to ascertain the molecular mechanisms of the OsHAKa in rice salt acclimation.

K+/Na+离子平衡在植物对盐胁迫的适应过程中发挥重要作用。植物在盐胁迫下，除了通过Na+转运体减少胞质中的Na+含量和Na+在冠部的积累，可能还需要动员钾转运体来调节K+的吸收和分配，以帮助维持K+/Na+离子平衡。但是，目前为止，钾转运体参与植物适应盐胁迫的分子基础仍然十分匮乏。植物KT/HAK/KUPs是一类重要的钾转运体，水稻HAKs钾转运体家族包含27个成员，绝大部分成员没有明确的功能报道。本研究已通过反向遗传学筛选发现OsHAKa的敲除突变体对盐胁迫较野生型更为敏感；其主要在幼苗的根中表达，并明显受到盐胁迫的诱导表达。在此研究基础上，本研究拟通过对RNA干扰、恢复突变株系和过表达株系进行表型分析以进一步验证OsHAKa是否参与了水稻对盐胁迫的适应过程；此外，还计划通过表达模式分析、亚细胞定位分析以及转运体活性鉴定等实验，揭示OsHAKa在水稻对盐胁迫适应过程中的生理功能。

盐胁迫是危害植物生长和作物生产的主要非生物逆境胁迫。而植物体内的K+/Na+离子稳态对植物适应盐胁迫具有重要意义。植物在盐胁迫下，除了通过Na+转运体减少胞质中的Na+含量和Na+在冠部的积累，可能还需要动员钾转运体来调节K+的吸收和分配，以帮助维持K+/Na+离子平衡。但是，目前为止，钾转运体参与植物适应盐胁迫的分子基础仍然十分匮乏。植物KT/HAK/KUPs是一类重要的钾转运体，水稻HAKs钾转运体家族包含27个成员，绝大部分成员没有明确的功能报道。本研究利用反向遗传学筛选发现OsHAKa的敲除突变体oshaka对盐胁迫较野生型更为敏感，OsHAKa的RNA干扰株系表现出与突变体一致的盐敏感表型，并且恢复突变株系对盐胁迫的敏感性降低到野生型水平，可见OsHAKa在水稻对盐胁迫的适应过程中发挥重要作用；GUS染色结果显示OsHAKa主要在幼苗的根中表达，尤其在维管束中的木质部薄壁细胞和内皮层通道细胞上表达较强，并且其基因表达也受到盐胁迫的剧烈诱导。离子含量测定结果显示，oshaka缺失引起根部和冠部钠含量升高，钾含量降低，Na+/K+比值显著升高，可见OsHAKa对维持盐胁迫下的K+/Na+离子平衡具有重要意义。亚细胞定位分析显示OsHAKa特异定位于细胞质膜。OsHAKa在钾吸收缺陷型酵母菌株CY162中表达，可以促进CY162在低钾培养基上的生长，并且可以提高CY162的耐盐性；将OsHAKa在拟南芥oshak5突变体中超表达也可以解除低钾培养基对oshak5根生长的抑制作用，这些结果证明OsHAKa具有钾吸收活性的钾转运蛋白。综上所述，本研究揭示盐胁迫诱导OsHAKa基因表达，OsHAKa通过提高木质部薄壁细胞和内皮层通道细胞的钾吸收从而抑制钠离子的吸收，进而提高水稻对盐胁迫的适应性。本研究拓展了HAK钾转运体的生理功能研究，而且为K+/Na+离子稳态提供了分子基础，同时也为培育耐盐作物提供了重要理论参考和遗传操作靶点。