擬南芥LKS1基因回響低鉀脅迫的轉錄調控機制研究

《擬南芥LKS1基因回響低鉀脅迫的轉錄調控機制研究》是依託中國農業大學，由王毅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：擬南芥LKS1基因回響低鉀脅迫的轉錄調控機制研究
• 依託單位：中國農業大學
• 項目負責人：王毅
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本實驗室前期研究發現，蛋白激酶LKS1（CIPK23）是控制擬南芥鉀營養吸收最重要的調控因子之一。在植株遭受低鉀脅迫時，LKS1基因受到誘導表達，增加的LKS1蛋白可以增強下游鉀離子通道蛋白AKT1的鉀離子吸收活性，從而提高植株對低鉀脅迫的耐受性。LKS1基因的轉錄調控對於植物抵禦低鉀脅迫、提高鉀營養吸收效率起著非常重要的作用。本實驗室前期通過大通量篩選的方法，已經獲得一個可能調控LKS1基因轉錄活性的候選轉錄因子蛋白LTR1（LKS1 Transcription Regulator 1）。本項目擬綜合利用分子生物學、生物化學、電生理學、細胞生物學、分子遺傳學等理論與技術方法，分析研究LTR1對LKS1基因的轉錄調控作用；明確LTR1在植物鉀營養調控方面的生理功能；逐步完善植物回響低鉀脅迫的轉錄調控機制，為進一步利用基因工程方法改良植物鉀營養性狀提供理論基礎和實驗依據。

結題摘要

鉀是植物生長發育所必需的礦質營養元素，維持作物充分的鉀營養供給是保證作物高產、優質的基本條件之一。但遺憾的是，我國大面積耕地普遍缺鉀，而鉀肥供給又嚴重不足，這極大地制約了我國農業的可持續發展。前期研究表明，利用基因工程方法提高作物本身對鉀的吸收利用效率（或稱鉀養分效率）可能是解決我國農業缺鉀，提高農作物產量和品質的重要途徑之一。課題組前期研究已經在擬南芥中發現一條控制鉀高效吸收的分子調控通路。低鉀脅迫下，蛋白激酶基因CIPK23/LKS1轉錄水平顯著升高。通過與鈣結合蛋白CBL1/9互作，LKS1直接磷酸化根細胞質膜上的鉀離子轉運蛋白AKT1和HAK5，從而促進擬南芥在低鉀下的鉀吸收活性。而過量表達LKS1基因可以顯著提高擬南芥對低鉀脅迫的耐受性。因此研究LKS1回響低鉀脅迫的轉錄調控機制有可能為改良作物鉀養分吸收效率性狀提供理論基礎。本項目綜合利用分子生物學、生物化學、電生理學、細胞生物學、遺傳學等理論與技術方法，深入研究了轉錄因子LTR1對LKS1基因的轉錄調控機制。酵母單雜交實驗、EMSA和ChIP實驗證明LTR1可以結合在LKS1啟動子區特異的DNA結合元件上。GUS染色和RT-qPCR結果表明，ltr1突變體中LKS1轉錄水平顯著降低，而LTR1過量表達植株中LKS1的轉錄水平則顯著升高，說明LTR1正調控LKS1基因的表達。表型檢測發現，在低鉀條件下ltr1和lks1突變體都具有冠部發黃的缺鉀症狀，而兩者的過量表達植株均表現出耐受低鉀的表型。通過構建遺傳材料，我們證明LTR1與LKS1處於同一調控通路，LTR1位於LKS1上游。鉀含量測定、鉀營養耗竭和根細胞膜片鉗實驗進一步表明，LTR1通過正向調控LKS1的轉錄水平從而影響擬南芥根部的鉀吸收過程。綜上，本研究表明，低鉀脅迫後轉錄因子LTR1被誘導表達升高，LTR1蛋白進入細胞核後結合到LKS1的啟動子區並促進其轉錄。然後，LKS1蛋白磷酸化根細胞質膜上的鉀離子轉運蛋白AKT1和HAK5，從而促進根細胞從外界吸收鉀離子，以應對環境低鉀脅迫。本項目的研究成果進一步完善了植物回響低鉀脅迫的分子調控網路，並為將來培育具有鉀養分高效性狀的作物新品種奠定了理論基礎。