水稻鉀素營養(yǎng)的基因型特征及分子機(jī)制初探①

趙鵬姝，楊順瑛，郝東利，蘇彥華*

水稻鉀素營養(yǎng)的基因型特征及分子機(jī)制初探①

趙鵬姝1,2，楊順瑛1，郝東利1，蘇彥華1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

理解水稻()的鉀素營養(yǎng)特征是提高水稻的鉀素利用效率及其生產(chǎn)效應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。本文針對土壤鉀素供應(yīng)的時空非均勻性，采用水培和分根模擬試驗(yàn)，研究了日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4) 4個水稻基因型品種的鉀素營養(yǎng)特征。結(jié)果表明：低鉀(0.1 mmol/L K+)或高鉀(5 mmol/L K+)條件均會顯著抑制水稻的生長。與高鉀條件相比，NB和GD4在低鉀及正常供鉀(1 mmol/L K+)水平下即可保持較高的生物量，推測NB和GD4有更強(qiáng)的鉀吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)能力。分根供鉀試驗(yàn)表明，4種基因型水稻缺鉀一側(cè)的根長和根表面積均受到誘導(dǎo)，而地上部生物量與全根供鉀時沒有明顯差異，說明局部根系供鉀即可滿足水稻生長需求。進(jìn)而以NB為材料，通過實(shí)時熒光定量PCR，發(fā)現(xiàn)水稻根內(nèi)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)基因主要定位于根部，且受高鉀和低鉀抑制，地上部鉀分配基因主要定位于地上部且受高鉀誘導(dǎo)，根–莖鉀傳輸系統(tǒng)基因主要定位于距根尖大于1.5 cm的成熟區(qū)，且在根部的表達(dá)豐度受低鉀誘導(dǎo)；水稻傷流試驗(yàn)結(jié)果表明，低鉀條件下傷流液的強(qiáng)度和組分與根–莖傳輸基因的表達(dá)特征有較好的吻合度，推測基因可能在根–莖鉀轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)揮重要作用。

水稻；鉀；生理響應(yīng)；鉀轉(zhuǎn)運(yùn)；分子機(jī)制

鉀(K)是作物生長發(fā)育所必需的關(guān)鍵礦質(zhì)營養(yǎng)元素。作為含量最豐富的陽離子，植物細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度通常在100 mmol/L 以上，占植物體干重的2% ~ 10%。在鉀營養(yǎng)充足的條件下，植物體內(nèi)的含鉀量一般可高達(dá)其干重的4% 以上[1]，而富鉀植物如空心蓮子草等，植株含鉀量甚至可達(dá)13%[2]。與另外兩種大量營養(yǎng)元素氮、磷不同，鉀不直接參與植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生命物質(zhì)的組成，其生理功能主要體現(xiàn)在基于該離子的運(yùn)動和平衡所產(chǎn)生的調(diào)控作用上。細(xì)胞內(nèi)鉀濃度直接控制細(xì)胞的體積和膨壓，對細(xì)胞、組織的伸長及韌性有重要調(diào)控作用，與植物體內(nèi)水分的保持和抗旱性關(guān)系極為密切，并且對病蟲害等侵害提供物理屏障和機(jī)械抗性[3]。與鉀素作為重要調(diào)控元素的生理作用相對應(yīng)，植物鉀素營養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)除了根系從土壤中吸收、獲取鉀素之外，鉀素在植株體內(nèi)各部位的高效轉(zhuǎn)運(yùn)和分配過程也尤為重要。

土壤是植物根系獲取鉀營養(yǎng)的主要來源。我國土壤鉀素及有效鉀含量隨地形、土壤質(zhì)地、氣候條件和土壤發(fā)育程度呈由北至南而遞減的趨勢[4]。我國耕地土壤缺鉀面積達(dá)60% 左右，南方水稻主產(chǎn)區(qū)由于高溫多雨、淋溶作用等土壤缺鉀面積高達(dá) 70% 以上，其中近90% 的水稻土處于鉀虧缺狀態(tài)[5-6]。土壤供鉀不足會導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低[7-8]、根系早衰和抗逆性下降，易感染病蟲害和出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象[9-10]。因此，保證鉀素供應(yīng)是水稻等作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。諸多研究表明，稻田增施鉀肥能夠顯著提高水稻產(chǎn)量及品質(zhì)[11-12]。在我國鉀肥資源供應(yīng)嚴(yán)重不能自給的背景下，通過生理學(xué)研究和分子生物學(xué)手段，掌握作物的鉀素營養(yǎng)規(guī)律，針對鉀素利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)挖掘關(guān)鍵基因資源，是目前鉀素養(yǎng)分優(yōu)化管理以及對作物進(jìn)行鉀高效分子調(diào)控的重要環(huán)節(jié)之一。

通常，植物對土壤鉀素的吸收、利用過程可分為3個階段：①根系表皮吸收土壤中的鉀離子；②鉀在根內(nèi)及根–地上部的傳輸；③鉀在地上各組織部位的分配及行使調(diào)控功能(如氣孔運(yùn)動)[13]。這些過程分別由定位于細(xì)胞質(zhì)膜上的相應(yīng)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體和鉀離子通道來承擔(dān)。在模式植物擬南芥中，根系從土壤中吸收鉀離子及鉀由根表向內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn)主要是通過鉀轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)如高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體(KUP)及鉀離子通道基因來完成[14-15]；其中，KUP主要負(fù)責(zé)根系從土壤吸收鉀離子[14]，而基因主要介導(dǎo)鉀離子在植物根內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[15-16]。外排型鉀通道擬南芥基因主要定位于根的韌皮部，其作用是將根中的鉀由韌皮部分泌至木質(zhì)部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉀離子經(jīng)由木質(zhì)部的根–莖長距離運(yùn)輸[17]。缺失該通道活性導(dǎo)致擬南芥植株地上部含鉀量降低約50%[17]。此外，基因的表達(dá)豐度受脫落酸(ABA)抑制，隨著ABA處理時間的延長，幾乎檢測不到基因的存在，暗示ABA有可能參與鉀離子所介導(dǎo)的滲透調(diào)節(jié)且在調(diào)控植物生長方面起著重要作用[17]。在地上部，鉀的再運(yùn)輸或分配主要由雙向整流型鉀通道基因負(fù)責(zé)。主要在擬南芥包括根、莖、葉柄、花及葉片的韌皮部表達(dá)，通過介導(dǎo)鉀離子在其中的裝載和卸載從而實(shí)現(xiàn)鉀離子在植株各部位的分配[18]。作為鉀離子調(diào)控功能的典型例證，擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中的和基因共同介導(dǎo)鉀離子的吸收，其運(yùn)作的結(jié)果使得保衛(wèi)細(xì)胞鉀離子積累，細(xì)胞膨壓增大而促使氣孔開放[19]。與此相反，外排型鉀通道的運(yùn)作則降低保衛(wèi)細(xì)胞的鉀濃度從而關(guān)閉氣孔[20]。

上述過程在擬南芥中已經(jīng)比較明晰，而在水稻中目前僅限于類似的推測，還缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同時，與擬南芥相比，水稻中的KUP和鉀通道蛋白則更為眾多，預(yù)示其作用機(jī)制可能更為復(fù)雜。本文通過水培試驗(yàn)研究了不同供鉀強(qiáng)度對4種基因型水稻日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)生長特性及養(yǎng)分吸收的影響，同時通過分根試驗(yàn)探究了根系局部供鉀條件下水稻的生長狀況，進(jìn)而以日本晴為材料通過實(shí)時熒光定量PCR研究了水稻鉀傳輸/轉(zhuǎn)運(yùn)通道基因、和的表達(dá)定位及其對外界供鉀水平的響應(yīng)特征，通過傷流試驗(yàn)探索了低鉀條件下水稻根莖鉀傳輸能力與基因之間存在的可能關(guān)聯(lián)，為理解水稻鉀的體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過程提供有益的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及培養(yǎng)條件

試驗(yàn)所用的4種基因型水稻品種分別為模式品種日本晴(NB)和生產(chǎn)品種武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)。水稻種子經(jīng)NaClO (2.5%，/)溶液消毒 30 min，再用蒸餾水清洗6 ~ 8次去除種子表面的消毒液，于37℃培養(yǎng)箱浸種24 h使種子充分吸水后，均勻放置于尼龍網(wǎng)上暗處萌發(fā)6 d；挑選長勢一致的幼苗，3顆1束移栽于盛有8 L國際水稻完全營養(yǎng)液(IRRI 營養(yǎng)液)的周轉(zhuǎn)箱中培養(yǎng)1周。周轉(zhuǎn)箱四周及底部噴黑漆，以防藻類生長。IRRI 營養(yǎng)液配方：1.25 mmol/L NH4NO3, 0.3 mmol/L KH2PO4，0.5 mmol/L K2SO4，1 mmol/L CaCl2，1 mmol/L MgSO4·7H2O，0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O，20 μmol/L EDTA-Fe，20 μmol/L H3BO3，0.32 μmol/L CuSO4·5H2O，9 μmol/L MnCl2·4H2O，0.77 μmol/L ZnSO4·7H2O 和 0.39 μmol/L Na2MoO4·2H2O，用HCl調(diào)pH至5.5[21]。

溫室培養(yǎng)條件：27℃/25℃(晝/夜)，16 h/8 h(光照/黑暗)，相對濕度70%，光強(qiáng)為400 μmol/(m2·s )。并于移苗后的第3天、第5天及第7天更換營養(yǎng)液，第7天選則長勢一致的水稻苗分別于1 mmol/L CaSO4溶液(1 min)及蒸餾水中沖洗，以除去附著于根表面的離子，然后置于裝有不同鉀處理的IRRI 營養(yǎng)液的1.2 L PVC桶中進(jìn)行培養(yǎng)，每桶4穴。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水培試驗(yàn)：設(shè)置3個鉀水平處理：低鉀(LK，0.1 mmol/L K+)，即在缺鉀的IRRI營養(yǎng)液中加入所需濃度的KCl，并用NaH2PO4代替KH2PO4，其他成分保持不變，其余處理鉀處理方式相同；高鉀(HK，5 mmol/L K+)；正常鉀(MK，1 mmol/L K+)，即中鉀，為對照。每2 d更換1次營養(yǎng)液，處理10 d后收樣。樣品根系用1 mmol/L CaSO4及蒸餾水依次清洗干凈，每處理收3個重復(fù)，將地上部和根部剪開，在烘箱中 105 ℃殺青30 min，接著75 ℃左右烘72 h，稱干重后再粉碎樣品，用于鉀含量測定。

分根試驗(yàn)：取上述正常鉀濃度培養(yǎng)條件下生長1周且長勢一致的水稻苗用于分根試驗(yàn)。水稻苗生長于IRRI營養(yǎng)液(不含鉀)，兩側(cè)根系處理分別為：①+K(5 mmol/L KCl)；②–K(5 mmol/L NaCl)，其他養(yǎng)分均同完全營養(yǎng)液。每個分根培養(yǎng)箱種6穴，每穴8 棵苗。分根處理兩側(cè)營養(yǎng)液均為 6 L，每 2 d 換1次，處理 10 d 后取樣測定總根長和根表面積。

基因表達(dá)試驗(yàn)：取上述正常鉀濃度培養(yǎng)條件下生長1周且長勢一致的日本晴水稻苗進(jìn)行低鉀(LK，0.1 mmol/L K+)、正常鉀(MK，1 mmol/L K+)、高鉀(HK，5 mmol/L K+)處理4 d和7 d后，將水稻地下部樣品分整體根、根段(0 ~ 1.5、1.5 ~3.0、>3.0 cm)及根莖連接處收樣；并于處理當(dāng)天早上9：00對樣品進(jìn)行ABA處理(完全營養(yǎng)液中加入ABA至濃度為10 μmol/L)，分別于處理0、2、4、8、12、24、72 h不同時間點(diǎn)收取水稻根樣，迅速置于液氮中速凍，–80 ℃保存?zhèn)溆?，用于進(jìn)行不同鉀離子通道基因在各個部位的表達(dá)試驗(yàn)。

傷流試驗(yàn)：收集水培試驗(yàn)中低鉀處理4 d和7 d的水稻傷流液。具體為：于當(dāng)日17：00距離根莖結(jié)合處約2 cm處用刀割去上部水稻莖稈，并用脫脂棉擦干切口液后，再用裝有脫脂棉的自封袋套于剩余莖稈上，并保持脫脂棉和切口充分接觸，放于黑暗環(huán)境中收集，于次日早上9：00取回稱重。脫脂棉吸收傷流液前后重量差即為傷流量[22]。于裝有脫脂棉的自封袋中加入適量蒸餾水，揉捏混勻后，用帶有濾芯的注射器擠出傷流液保存，用于進(jìn)一步分析傷流液中ABA含量和鉀含量。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 ABA含量及鉀含量的測定 傷流液中的ABA含量使用MALLBIO公司提供的植物激素脫落酸(ABA)試劑盒MBE21031進(jìn)行測定。不同基因型水稻在不同鉀濃度處理下地上部、根部及傷流液中鉀含量通過HG-5型火焰光度計(jì)(北京檢測儀器有限公司)測定[23]。

1.3.2 水稻根系活力的測定 用傷流強(qiáng)度評估根系活力，計(jì)算公式為：傷流強(qiáng)度=傷流液中鉀含量/(烘干根重×?xí)r間)。傷流液的收集時間為16 h，傷流液收集完成后將根系放于烘箱烘至恒重并稱量。

1.3.3 根表面積及根長的測定 通過Epson根系掃描儀獲取分根試驗(yàn)中+K和–K處理10 d的水稻根系圖像，通過WinRHIZO軟件分析獲得其根長及根表面積指標(biāo)。

1.3.4 水稻鉀通道基因檢索與引物設(shè)計(jì) 從水稻基因組網(wǎng)站(http://rice.pla ntbiology.msu.edu)檢索得到,及的cDNA序列，采用 Primer 5軟件及NCBI網(wǎng)站Primer-BLAST工具設(shè)計(jì)引物(表1)。采用Plant CARE (http: //bioin-formatics. psb. ugent.be /webtools /plantcare /html/)[24]對水稻SKOR 啟動子順式作用元件進(jìn)行預(yù)測分析。

1.3.5 水稻樣品RNA提取及鉀通道基因表達(dá)量的檢測 用 Trizol法提取不同鉀濃度及ABA處理基因表達(dá)試驗(yàn)水稻各個部位樣品 RNA，使用超微量核酸蛋白測定儀 Nanodrop 2000(北京芯起點(diǎn)基因科技) 測定RNA濃度，并用甲醛變性膠電泳檢測RNA質(zhì)量。甲醛變性膠的制備：稱取0.72 g Agarose于三角瓶中，加入Running buffer(10×)及DEPC水，于微波爐溶解，待降溫至60 ℃，于通風(fēng)櫥中加入甲醛溶液，此時溶液體積約60 ml，充分搖勻后倒板。RNA電泳樣品制備：于1.5 ml離心管中加0.5 μg RNA樣品及5 μl的Mix混合液，并用DEPC水補(bǔ)充至13 μl，混勻后65 ℃金屬浴加熱10 min，冰上冷卻后用于電泳檢測。電泳條件：80 V，1 h。

反轉(zhuǎn)錄及基因擴(kuò)增：采用 Prime Script RT reagent Kit (Takara)將RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA，用于基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的半定量及定量檢測。用2×Phanta Master Mix(Vazyme)進(jìn)行半定量的PCR 擴(kuò)增檢測，用LightCycler480Ⅱ熒光定量PCR儀(羅氏公司)對基因表達(dá)進(jìn)行定量檢測，內(nèi)參基因選用(Os03g 50885)，基因相對表達(dá)量用 2–ΔΔCt公式計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 16.0，用T-test 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用 Sigma Plot 13.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供鉀水平對4種基因型水稻生長的影響

不同供鉀水平的水培試驗(yàn)結(jié)果表明，高鉀條件(HK)對4種基因型水稻的生長都有不同程度的抑制作用，地上部和根部生物量與正常供鉀條件(MK)相比均顯著降低(圖1)。高鉀條件下根部生物量降低的幅度在不同基因型水稻中差異不大，均為30.0% 左右(圖1A)。地上部生物量降低幅度最大的是GD4，達(dá) 43.6%，降低幅度最小的是NB，為 22.4%(圖1B)。與高鉀條件相比，WYJ18及NG在低鉀及正常供鉀條件下的生物量較低，而NB和GD4在3個鉀水平下生物量均較高(圖1)。

2.2 不同供鉀水平對4種基因型水稻植株含鉀量的影響

圖2A結(jié)果表明，4種基因型水稻根部的含鉀量在正常供鉀條件下最高，而在高鉀和低鉀條件下其含鉀量都明顯下降。與正常供鉀相比，低鉀處理時4種水稻的根部含鉀量均降低了約4.5倍；而高鉀處理的根系含鉀量降低約40%(圖2A)。然而4種基因型水稻的地上部含鉀量則隨外界供鉀濃度的增加呈現(xiàn)出較一致的顯著增加趨勢(圖2B)。其中正常供鉀時，4種水稻的含鉀量是低鉀條件時的2.5倍；繼續(xù)增加供鉀濃度(HK)，地上部含鉀量僅呈略有增加趨勢(增幅均15%)(圖2B)。這一結(jié)果表明，水稻根系對供鉀濃度較為敏感，缺鉀或過量供鉀不利于水稻生長。在同一供鉀水平下，無論是在根部還是地上部，4種水稻的含鉀量均無顯著差異(圖2A和2B)。而在鉀素利用效率方面，4種水稻在正常供鉀條件下的鉀積累量達(dá)到最高，其中NB和GD4的鉀積累量較WYJ18和NG增加了近1倍(圖2C)，結(jié)合圖1B結(jié)果，NB及GD4在低鉀條件下即可保持較好的生長，推測NB和GD4較WYJ18和NG有更強(qiáng)的鉀吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

2.3 根系非均勻供鉀對不同基因型水稻生長的影響

將在正常供鉀條件下生長一周的水稻苗根系均分為兩部分置于分根根系生長箱中，一側(cè)供鉀(5 mmol/L K+)，一側(cè)缺鉀處理10 d，結(jié)果表明，缺鉀一側(cè)4種基因型水稻的根系生長均比供鉀側(cè)更快。與供鉀側(cè)相比，不同基因型水稻在缺鉀側(cè)的總根長均顯著增加(圖 3A)。同時根表面積的變化趨勢與總根長的變化趨勢一致，缺鉀側(cè)的根表面積顯著大于供鉀一側(cè)(圖 3B)，而分側(cè)供鉀時地上部的生物量與全根供鉀時沒有顯著差異(同圖1B)，說明根部分側(cè)供鉀對地上部生長的影響非常小，根系局部供鉀即可滿足水稻生長需求。

2.4 水稻鉀離子通道OsKAT1;1、OsAKT2/3及OsSKOR基因?qū)ν饨绮煌┾浰降捻憫?yīng)特征

以NB為研究材料，通過實(shí)時定量PCR研究表明，內(nèi)向型鉀離子通道基因主要定位于根部(圖4A)，基因主要定位于地上部(圖 4C)，其中基因在地上部的表達(dá)豐度受高鉀的誘導(dǎo)，增幅約1倍，而在低鉀下的表達(dá)豐度與對照相比無顯著差異(圖4D)。在根部，基因在正常供鉀條件下的表達(dá)豐度最高(圖 4B)。而外向型鉀離子通道則主要在水稻的根系表達(dá)(圖 4E)，進(jìn)一步的根系分段定量PCR結(jié)果表明，基因主要在距根尖大于1.5 cm的成熟區(qū)表達(dá)(圖 4G)，且在根部的表達(dá)豐度受低鉀誘導(dǎo)(圖 4F)，而對高鉀的響應(yīng)不敏感，推測很可能是一個在低鉀環(huán)境中起重要作用的鉀離子通道基因。

2.5 低鉀條件下水稻根系活力及傷流液中鉀含量、ABA含量及與OsSKOR的關(guān)聯(lián)

在擬南芥中，基因在根莖鉀傳輸過程中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用[17]。為進(jìn)一步了解基因在低鉀條件下可能發(fā)揮的作用，本研究通過傷流試驗(yàn)評估了NB水稻在低鉀處理后的根系活力，同時測定了傷流液組分中的ABA含量及鉀含量。結(jié)果表明，隨著低鉀處理時間的延長，根系活力逐漸降低，與處理4 d相比，處理7 d后的水稻根系活力降低了約50%(圖5A)；低鉀處理7 d后，傷流液中ABA含量是低鉀處理4 d的3倍(圖5C)，而鉀含量比低鉀處理4 d降低約1倍(圖5B)，隨低鉀處理時間的延長，傷流液中ABA含量與鉀含量呈相反的變化趨勢。與此同時，基因的表達(dá)豐度卻隨著低鉀處理時間的推移而下降(圖5D)，暗示缺鉀條件下，水稻體內(nèi)積累的ABA可能與參與鉀離子從根向莖傳輸過程中的鉀離子通道基因存在緊密聯(lián)系。

2.6 OsSKOR基因的啟動子結(jié)構(gòu)及外源添加ABA對OsSKOR表達(dá)豐度的影響

啟動子作為調(diào)控基因表達(dá)的重要順式作用元件，在基因表達(dá)過程中具有重要作用。本研究使用啟動子分析軟件對基因起始密碼子ATG 上游1.8 kb 的序列進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示，基因啟動子內(nèi)除含有必需的核心元件CAAT-box 和TATA-box 外，還存在對ABA響應(yīng)的ABRE元件(圖 6A)，預(yù)測ABA可能調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄水平。ABA作為一種脅迫激素，在低溫、高溫、干旱和鹽害等多種脅迫下，植物體ABA含量大幅度升高。進(jìn)而，為進(jìn)一步證實(shí)ABA含量與基因轉(zhuǎn)錄豐度的直接關(guān)系，本研究在正常供鉀水平(對照)中添加10 μmol/L ABA，研究ABA處理不同時間后水稻根系樣品基因表達(dá)量的變化。提取RNA并通過定量PCR研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，使用兩對引物的平行定量試驗(yàn)結(jié)果均表明，ABA顯著抑制基因的表達(dá)，隨著處理時間的延長，其表達(dá)豐度顯著降低 (圖6B和6C)。這些結(jié)果表明，低鉀條件下，ABA很可能在鉀從水稻根部向地上部的傳輸過程中扮演著重要角色，相關(guān)研究需要進(jìn)一步證實(shí)。

3 討論

鉀是植物生長最關(guān)鍵的礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，在植物生長發(fā)育的各個時期都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在我國耕地土壤普遍缺鉀的背景下，由于長期耕作過程中施肥量、肥料種類及施肥方式的差異，促使土壤鉀的供應(yīng)強(qiáng)度及空間分布存在非均勻性[4]。

本研究以日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)四種基因型水稻為材料模擬根系鉀不均勻分布狀況，發(fā)現(xiàn)4種不同基因型水稻缺鉀一側(cè)的根系總根長和根表面積均顯著高于供鉀側(cè)，這與王為木等[8]研究發(fā)現(xiàn)水稻根系在缺鉀時變長且側(cè)根增多結(jié)果一致。不均勻供鉀時水稻地上部生物量與全根供鉀沒有顯著差異，根系局部供鉀即可滿足水稻正常的生長需求，由此可以說明，田間施肥方式側(cè)施等不影響水稻的生長。通過水培試驗(yàn)對4種基因型水稻供應(yīng)不同鉀水平的研究發(fā)現(xiàn)，4種水稻在正常供鉀(1 mmol/L K+)條件下生物量達(dá)到最高，這與薛欣欣和李小坤[25]報道的水稻品種豐兩優(yōu)香 1 號和兩優(yōu) 6326在中等鉀肥供應(yīng)水平下其地上部干物質(zhì)量即可達(dá)到較高水平的結(jié)果一致；鉀積累量在正常供鉀條件下達(dá)到最高，而高鉀(5 mmol/L K+)條件反而抑制水稻生長及鉀的積累，由于NB和GD4在低鉀及正常供鉀條件下均能保持較高的生物量，推測NB和GD4具有高效利用養(yǎng)分產(chǎn)生生物量的能力。

植物通過根系從土壤中吸收獲取鉀營養(yǎng)，再將鉀分配到各個部位，主要是由定位于細(xì)胞膜上的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體及鉀通道完成[26]。本研究以NB為研究材料，初步分析了水稻鉀離子通道、及基因的定位及其對外界不同供鉀狀態(tài)的響應(yīng)特征，結(jié)果表明，基因主要定位于根部，其表達(dá)受高鉀和低鉀抑制，在正常供鉀條件下表達(dá)豐度最高?；蛟诘厣喜康谋磉_(dá)豐度受高鉀供應(yīng)的誘導(dǎo)，其作用機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。而基因與已經(jīng)報道的基因高度同源[17]，在根部特異性表達(dá)，與Kim等[27]對其定位研究結(jié)果一致，且其表達(dá)豐度受外界低鉀的誘導(dǎo)，推測是一個在外界低鉀環(huán)境中起關(guān)鍵作用的基因。根系傷流不僅可以作為根系活力的重要指標(biāo)，也是植物體內(nèi)溶質(zhì)從根向莖傳輸能力的體現(xiàn)[28]，本研究通過傷流試驗(yàn)初步探討了低鉀條件下水稻的根系活力及傷流鉀含量與基因之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨低鉀處理時間的延長傷流液中ABA含量增加；同時傷流強(qiáng)度及鉀離子含量隨處理時間的延長而降低，基因的表達(dá)量也同步降低。一方面，長時間缺鉀會影響根系活力，基因的表達(dá)豐度降低，導(dǎo)致從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的鉀減少，暗示基因在水稻根莖鉀傳輸過程中起關(guān)鍵作用，很可能與已經(jīng)報道的基因的功能一致[17]；另一方面，長時間缺鉀導(dǎo)致ABA含量大幅度增加，而外源添加ABA顯著降低了基因的表達(dá)豐度。推測在水稻中，ABA很可能參與調(diào)控了基因介導(dǎo)的根莖鉀傳輸過程。水稻傷流液中含鉀量與ABA含量之間的變化關(guān)系與本研究發(fā)現(xiàn)基因在低鉀下起著更關(guān)鍵的作用及前人研究發(fā)現(xiàn)基因鉀外排能力受ABA抑制的結(jié)果相吻合[17]，推測水稻傷流液中觀察到的現(xiàn)象可能與基因的功能有關(guān)。鑒于基因在根莖鉀傳輸環(huán)節(jié)及其在低鉀脅迫中可能發(fā)揮的重要作用，進(jìn)一步深入研究其功能并充分發(fā)揮其用鉀能力很可能是一項(xiàng)行之有效的提高作物鉀素利用效率的措施。

4 結(jié)論

1)高鉀條件可抑制4種基因型水稻地上部和根部生物量，根部生物量降低幅度均為30% 左右，地上部生物量降低幅度最大的是GD4，達(dá) 43.6%，降低幅度最小的是NB，為 22.4%。與高鉀條件相比，WYJ18及NG在低鉀及正常供鉀條件下的生物量較低，而NB和GD4在3個鉀水平下生物量均較高；與正常供鉀相比，4種基因型水稻低鉀處理時根部含鉀量均降低了約4.5倍，高鉀處理的根系含鉀量降低約40%，地上部含鉀量隨外界供鉀濃度的增加呈現(xiàn)出較一致的顯著增加趨勢；4種不同基因型水稻不均勻供鉀時缺鉀一側(cè)的根系總根長和根表面積均顯著高于供鉀側(cè)。

2)NB水稻鉀離子通道基因主要定位于根部，其表達(dá)受高鉀和低鉀抑制，在正常供鉀條件下表達(dá)豐度最高；基因在地上部的表達(dá)豐度受高鉀供應(yīng)的誘導(dǎo)；基因在根部特異性表達(dá)，且其表達(dá)豐度受外界低鉀的誘導(dǎo)。

3) 低鉀處理時間延長，根系活力逐漸降低，處理7 d比處理4 d的水稻根系活力降低了約50%，低鉀處理7 d后，傷流液中ABA含量是低鉀處理4 d的3倍，鉀含量比低鉀處理4 d降低約1倍，基因的表達(dá)豐度卻隨著低鉀處理時間的推移而下降。

4)基因啟動子內(nèi)存在對ABA響應(yīng)的ABRE元件，隨著ABA處理時間的延長，基因的表達(dá)豐度顯著降低。

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Genotypic Characteristics and Molecular Mechanism of Potassium Nutrition in Rice

ZHAO Pengshu1,2, YANG Shunying1, HAO Dongli1, SU Yanhua1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Understanding potassium nutrition characteristics of rice is an important step to improve the potassium utilization efficiency and production effect of rice. Aims at the temporal and spatial heterogeneity of soil potassium supply, in this study, Nipponbare (NB), Wuyujing 18 (WYJ18), Nanguang (NG) and Guidan 4 (GD4) four genotypes of rice were used to evaluate the potassium response characteristics by using hydroponic and root division simulation tests. The results showed that insufficient potassium (0.1 mmol/L K+) or excess (5 mmol/L K+) significantly inhibited rice growth. NB and GD4 maintained high biomass under low and normal potassium (1 mmol/L K+) supply levels compared with high potassium conditions, possibly attributed to the stronger potassium absorption and transport capacity of NB and GD4. Root division experiment simulated the uneven distribution of potassium showed root lengths and surface areas of the four genotypes were induced on potassium-deficient side, but no significant difference was found between the aboveground biomass compared with the total root potassium supply, indicating the partial potassium supply also can meet the growth requirements of rice. NB was used to study the expression position by using real-time quantitative PCR, and it was found that potassium transport genein rice roots is mainly located in the roots and inhibited by high and low potassium. The above-ground potassium distribution geneis mainly located in the shoots and induced by high potassium. The root-stem potassium transport systemis mainly located in a mature region with a root tip greater than 1.5 cm, and the expression abundance at the root was induced by low potassium. The result of rice injury test showed that the strength and composition of the wound fluid had a good agreement with the expression of root-stem transfer geneunder low potassium condition, suggestingmay play an important role in root-stem potassium transport.

Rice; Potassium; Physiological response; Potassium transport; Molecular mechanism

Q786；Q945.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.006

趙鵬姝, 楊順瑛, 郝東利, 等. 水稻鉀素營養(yǎng)的基因型特征及分子機(jī)制初探. 土壤, 2021, 53(1): 37–46.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31672230)資助。

(yhsu@issas.ac.cn)

趙鵬姝(1993—)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)分子生理研究。E-mail: pszhao@issas.ac.cn