论文部分内容阅读
钾是植物生长发育所必需的矿质元素。然而我国耕地土壤普遍缺钾且钾肥资源匮乏,这已经成为制约农作物生产的重要限制因素之一。因此,通过遗传改良方法提高作物钾吸收利用效率是解决我国农作物生产中钾供应不足问题的重要途径之一。本实验室前期研究发现,AKT1是模式植物拟南芥根部介导钾吸收的主要钾离子通道,其通道活性受钙结合蛋白CBL1/9和蛋白激酶CIPK23的调控。过量表达CBL1/9和CIPK23均可以提高拟南芥的低钾耐受能力。ZMK1是AKT1在玉米中的同源蛋白,体外实验证明ZMK1的通道活性受玉米钙结合蛋白ZmCBL1和蛋白激酶ZmCIPK3/9/23的调控。本论文工作主要研究这些ZmCBL和ZmmCIPK基因在玉米钾吸收利用中的生理功能,进而筛选钾高效吸收利用的玉米转基因材料。首先构建了 ZmCBL1和ZmCIPK3/9/23的过量表达转基因玉米材料,并对这些转基因玉米自交系进行了钾吸收利用效率性状的检测。在低钾水培条件下,ZmCBL1过表达植株的老叶出现提前发黄枯萎的表型。钾含量测定结果显示,低钾条件下ZmCBL1过表达植株根部和冠部的钾含量均显著低于对照材料。这些结果表明过量表达ZmCBL1可能导致玉米对低钾胁迫更为敏感。钾营养耗竭实验结果显示,ZmCIPK23过量表达植株的钾离子吸收速率高于对照材料。然而ZmCIPK23过表达植株在低钾下却表现出老叶提前发黄枯萎的敏感表型。钾含量测定结果显示,在低钾下ZmCIPK23过表达植株冠部钾含量略低于对照材料。进一步研究发现ZmCIPK23过表达植株的老叶和上部伸展叶中的钾含量显著低于对照材料,而茎节中的钾含量却显著高于对照材料。基因表达检测显示,正常条件下ZmCIPK23主要在根中表达,但低钾处理后ZmCIPK23在老叶中的表达量显著升高。推测,ZmCIPK23可能参与低钾下玉米冠部钾离子的再分配过程。过量表达ZmCIPK23可能会干扰钾离子在冠部的再分配过程,从而导致转基因植株的低钾敏感表型。实验结果显示ZmCIPK3和ZmCIPK9的过表达植株在钾吸收利用效率上与对照材料相比并无显著差异,推测ZmCIPK3/9在玉米体内可能并不参与钾吸收转运过程。本论文还对上述转基因玉米自交系开展了田间表型检测。结果显示,减少钾肥施用会影响玉米的生长状况。在拔节期,部分转基因自交系(ZmCBL1和ZmCIPK9过表达玉米材料)与对照材料植株比表现出生长优势。但在吐丝期,这些过表达自交系在株高、茎粗、穗位等方面与对照材料相比并没有显著差异。本论文的研究结果表明,ZmCBL1和ZmCIPK23有可能参与玉米的钾吸收和再分配过程。但是在玉米中持续过量表达ZmCBL1和ZmCIPK3/9/23并不能提高水培条件下玉米的钾吸收利用效率。推测,玉米中可能存在与拟南芥不同的钾吸收调控机制。在低钾条件下,ZmCBL1和ZmCIPK23等基因合理的时空表达,以及正确的蛋白活性调控可能才是提高玉米钾吸收利用效率的关键。本论文的研究结果对进一步探讨玉米钾吸收和转运的调控机制以及未来玉米钾吸收利用效率性状的遗传改良提供了一定的借鉴。