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南京土壤所在水稻鉀離子通道的自然變異與生理功能的研究方面取得進展

2021-10-18 分享到:

鉀是植物生長發育所必需的三大營養要素之一,在植物生長發育和葉片衰老過程中,老葉中的K+可經由韌皮部的回流,實現其向根系和新生組織/器官的再分配過程。目前對這一過程的分子機制的認識還不盡明晰。已知在模式植物擬南芥中,AtAKT2鉀離子通道具有介導韌皮部K+回流的部分功能。在功能方面,AtAKT2兼具K+吸收和外排活性,即弱電壓依賴型雙向整流性質;其生理意義在很大程度上體現在其K+外排活性對韌皮部細胞極化狀態的平衡方面,因而有助于地上部光合同化産物蔗糖經韌皮部途徑的向下運輸過程。目前所知的AKT2通道,尤其是在雙子葉植物中,大多具有這些特征。

南京土壤所研究員蘇彥華課題組通過對水稻基因組中的同源鉀通道OsAKT2的分析發現,與擬南芥等植物中的典型AKT2通道基因相比,OsAKT2的膜電位感應區(S4跨膜區)中編碼精氨酸R的堿基發生了由AGA到AAG的序列順序置換,而導致該氨基酸變異爲賴氨酸K。通過蛙卵雙電極電壓鉗電生理技術進行系統的功能解析,證明水稻OsAKT2明顯不同于典型的雙向整流型AKT2鉀通道,其主要介導K+的吸收(內流)而缺失了該型通道的標志性特征—K+外排(外流)活性,且OsAKT2通道的行爲表現出強烈的電壓依賴性。通過定點突變技術消除OsAKT2中的上述氨基酸變異(即K191R點突變),通道隨即恢複了與典型AKT2類通道相同的雙向整流性;而將擬南芥AtAKT2的對應氨基酸R改變爲K,則其原有的外排活性喪失。由此可見水稻OsAKT2功能的改變來源于其K191氨基酸編碼序列的物種變異—K191特異性氨基酸的變異鎖住了OsAKT2的K+外排活性(圖1)。同時,OsAKT2所缺失的K+外排活性可被OsCBL1/OsCIPK23複合磷酸化過程部分激活(圖2)。該研究揭示了水稻OsAKT2鉀通道功能的這一結構性鎖定—磷酸化解鎖機制。進一步利用AKT2功能缺陷型擬南芥akt2突變體作爲工具,證實了水稻OsAKT2通過該位點的自然變異而強化其韌皮部K+回流的功能(圖3)。

上述研究成果發表在Plant Physiology上,博士生黃亞楠爲文章第一作者,蘇彥華研究員爲文章通訊作者。該研究得到國家重點研發專項和國家自然科學基金的資助。

論文链接

 

图1. 特异性K191氨基酸的存在,将OsAKT2通道的活性锁定在仅介导K+吸收的狀態

图2. OsAKT2的K+外排活性可被OsCBL1/OsCIPK23磷酸化機制部分解鎖

图3. OsAKT2介导地上韧皮部K+的裝載和再循環