茶树钾转运蛋白CsKUP7/14/15高效吸收和转运K+的分子机制

Accumulated concerns have been paid to the problem of insufficient potassium (K) supply due to the soils that are highly leached and strongly acidic in tea plantation. High affinity K transporters play an essential role in absorbing and utilizing K+. In our previous study , three high affinity K transporter encoding genes CsKUP7/14/15 were cloned, which had critical functions in absorbing K with tissue specifically as well as in response to K deficiency. In this project, CsKUP7/14/15 will be cloned from tea plants and its function in potassium absorption and transport will be investigated. Additionally, the cellular and molecular process of K absorption and transport mediated by CsKUP7/14/15 will be speculated by examining CsKUP7/14/15 expression at tissues, cell and subcellular levels in tea plants. Further, the correlation between CsKUP7/14/15 expression and K distribution will be explored by examining their responses to the three factors regulating potassium content and validating CsKUP7/14/15 expression in various tea plant cultivars with different potassium content. The results will provide important theoretical basis for breeding and engineering in tea plant cultivars with K use efficiency.

茶园土壤淋溶强、偏酸性易导致茶树生长发育过程中钾(K)素营养缺乏问题日益突出。研究表明，KUP家族是植物响应低K和缺K并且能吸收和转运K+的关键家族基因。项目组前期筛选出组织表达特异并显著响应低钾胁迫，且具有转运低钾功能的三个钾转运蛋白基因CsKUP7/14/15。本项目拟从茶树中克隆CsKUP7/14/15基因，利用酵母和拟南芥遗传体系验证CsKUP7/14/15 转运K+的功能；并分析CsKUP7/14/15表达模式、组织和亚细胞定位以及与新梢中和叶片中K+含量的相关性，揭示CsKUP7/14/15介导K+吸收和转运的作用机制。进一步分析钾营养效率不同的茶树品种、钾素水平等因素对CsKUP7/14/15的表达、定位及蛋白稳定性的影响，阐明CsKUP7/14/15介导茶树K+吸收和转运的调控机制。本研究将为茶树遗传改良和培育钾高效基因型茶树新品种提供基因资源和理论支撑。

钾(K)是植物细胞中最丰富的阳离子，广泛参与植物各种生理和生化过程，如维持植物的渗透压和离子平衡、调节气孔开闭和抵御生物与非生物胁迫等。钾是茶树的“品质元素”，钾素营养对于提高茶叶品质重要作用。然而，由于茶园土壤淋溶强、偏酸性易导致茶树生长发育过程中钾(K)素营养缺乏问题无法通过提高施肥量根本解决，严重影响茶叶产量和品质。研究表明，植物中HAK/KUP/KT家族成员在K+的吸收和胁迫响应发挥重要作用，然而茶树中HAK/KUP/KT生物学功能还未见报道。项目组以国家级茶树品种“舒茶早”为研究对象，建立和优化茶树水培体系：首先通过不同缺钾处理茶苗，通过RNA-seq筛选受缺钾诱导显著上调的关键候选基因CsKUP7(CsHAK1)、CsKUP14(CsHAK4)和CsKUP15(CsHAK7)。其次，通过基因克隆、生物信息学分析，表达模式分析、原位杂交与亚细胞定位等方法，分析CsHAK1/4/7在茶树内时空表达特性；进一步通过酵母、回补拟南芥突变体功能验证等方法解析CsHAK1/4/7的作用机制，最后，利用不同茶树品种验证CsHAK1/4/7的表达量与K+含量之间的相关性分析。研究发现: CsHAK1/4/7能够恢复酵母突变体在低钾培养基上的生长能力，缺钾、非生物胁迫和激素处理均能不同程度诱导CsHAK1/4/7的表达水平，同时组织定位结果显示CsHAK1/4/7具有特异的组织表达特征，亚细胞定位结果显示CsHAK1/4/7均定位于细胞质膜。进一步通过低钾或缺钾处理CsHAK1/4/7超表达和回补材料，与野生型相比，均能提高超表达和回补材料钾素吸收利用效率，这一结果也在不同茶树品种中得到部分的验证。本项目不仅为提高茶树钾素营养提供理论基础，也为进一步通过分子育种手段培育钾养分高效茶树新品种提供功能基因资源。