小麦钾离子通道蛋白基因TaPC1介导植株抵御低钾逆境功能研究

[目的]钾离子通道(potassium channel,PC)蛋白通过介导离子跨膜转运,增强低钾胁迫下植株对钾素的吸收和利用能力.本研究以采用RNAseq鉴定小麦应答低钾基因获得的PC家族基因TaPC1为对象,对该基因分子特征、应答低钾表达模式及其介导植株抵御低钾逆境的能力进行研究.[方法]采用生物信息学工具分析TaPC1分子特征,采用溶液培养法培养丰钾(K2O6 mmol/L)、低钾(K2O 0.06 mmol/L)处理小麦和转化株系幼苗,采用DNA重组技术构建TaPC1亚细胞定位和表达质粒,利用农杆菌介导法遗传转化烟草.采用常规植株形态、生理和qPCR方法测定植株生长、生理指标和基因表达.[结果]TaPC1与植物种属PC家族基因具有较高的同源性,该基因编码蛋白具有植物种属PC蛋白跨膜域保守特征,翻译蛋白经内质网分选后定位于细胞质膜.低钾(0.06 mmol/L)处理下,根、叶中TaPC1表达增强;将低钾处理植株转入丰钾(6 mmol/L)营养液进行恢复处理后,根、叶中该基因表达下调,表明TaPC1呈低钾应答表达模式.基因遗传转化结果表明,与野生型(WT)对照相比,低钾处理下,超表达TaPC1烟草株系植株干物质积累量增多,细胞活性氧累积量减少,细胞保护酶(SOD、CAT和POD)活性提高,丙二醛含量降低.基因表达分析表明,低钾处理下,转化株系内细胞保护酶编码基因NtSOD1、NtCAT1;1、NtPOD1;2及NtPOD1;6的转录本丰度较野生型(WT)显著增多,表明上述基因通过增强表达,在改善转化株系低钾处理下细胞活性氧稳态中发挥重要作用.此外,与WT相比,低钾处理下转化株系的钾累积量显著增多,光合碳同化能力增强.[结论]TaPC1呈低钾胁迫增强表达模式,上调表达该基因能显著增强植株钾素吸收,有效维持低钾逆境下的细胞活性氧稳态特征,在改善植株光合物质生产和抵御低钾逆境能力中发挥重要作用.