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必需矿质营养元素钾素(K)是植物中含量最高的金属元素,占植物体干重的10%。植物生长发育需要大量的K,其决定着作物的产量与品质。K+的吸收和转运由转运蛋白和离子通道所介导。在低钾环境中,植物主要利用高亲和的Shaker类的钾离子通道AKT1进行土壤K+的吸收。我们前期发现钙信号途径CBL-CIPK23介导AKT1对低钾环境的响应过程。蛋白激酶 CIPK(Calcineurin B-like Interracting Protein Kinase,CIPK)为植物蔗糖非发酵 1 相关蛋白激酶 SnRK(sucrose non-fermenting-1-related protein kinase,SnRK)家族的第三亚家族SnRK3。蛋白激酶SnRK高度同源于酵母SNF1(sucrose non-fermenting-1,SNF1)和哺乳动物 AMPK。拟南芥植物体 SnRK 含有38个成员,分为三个亚族:SnRK1、SnRK2和SnRK3,其中SnRK1亚家族有3个成员,分别为SnRK1.1,SnRK1.2和SnRK1.3。SnRK1的功能与酵母SNF1类似,是碳代谢中的关键调节基因。特别是SnRK1.1是植物体糖、代谢、胁迫和发育信号的重要调节者。当细胞能量缺乏时,细胞利用SnRK1.1调控一系列基因的转录,促进植物进行分解代谢,抑制合成代谢,从而增强植物的饥饿忍耐力和延长植物的生命周期。本课题发现拟南芥akt1突变体植株表现出对光照周期的敏感性,而cipk23突变体没有相类似的表型,推测拟南芥可能存在着与能量相关的AKT1的活性调节机理。考虑到SnRK1在植物体能量代谢过程中的重要作用,本课题以模式植物拟南芥作为研究材料,利用植物分子遗传学、蛋白分子免疫荧光和酵母双杂交等技术分析蛋白激酶SnRK1在植物适应低钾和低能环境的作用及其机理,主要的结果如下:1.确认 SnRK 1.1 的亚细胞定位。我们将 SnRK1.1 与 GFP(green-fluorescence protein)融合蛋白表达于拟南芥PSBD悬浮细胞中,结果显示SnRK1.1定位于细胞质中。2.酵母双杂交发现SnRK1.1与钾离子通道AKT1具有物理互作。通过确认全长的SnRK1.1与AKT1的C端非跨膜区片段具有物理互作后,我们制备含KHA,Ankyin、cNMP结合域的不同AKT1的C端非跨膜区片段,并发现SnRK1.1和SnRK1.2主要作用于Ankyin的结构域片段。3。制备出SnRK1.1过表达植株。在土培条件下,该植株表现出比野生型耐低光的生长表型;而akt1突变体植株表现出比野生型更容易受到低光胁迫;4.SnRK1.1过表达植株的耐低钾表型。通过含有不同K+浓度的1%蔗糖的1/2 MS培养基平板实验,发现SnRK1.1过表达植株仅仅在K+浓度≤0.05mM表现出耐低钾的表型。5.SnRK1.1过表达植株对低钾适应性与能量状态相关。在培养基不含糖的条件下,与野生型的相比,SnRK1.1过表达植株在K+浓度≤0.1 mM就表现出耐低钾的表型,表明在低能状态下,SnRK1还可促进植物体适应更为广泛的低钾培养环境。综上所述,我们的结果表明,在低钾和低能的状态下,拟南芥植株除了存在CBL-CIPK23激活AKT1这个途径外,可能还存在着SnRK1.1介导的AKT1激活途径,以适应低钾低能的生存环境。该发现从而揭示了植物体适应钾贫瘠的土壤和光照不足的培养环境的分子机理,可望为分子培育高抗性的作物提供理论指导和实验依据。