钾是植物生长发育所必需的大量元素,在植物的生命活动中发挥多种重要的生理作用。植物通过钾离子通道和钾离子转运体吸收和转运钾离子。植物体内存在多种不同特性、不同功能的钾离子通道和钾离子转运体,共同构成植物体内复杂的钾吸收和转运系统。在自然环境中,土壤中可供植物吸收利用的自由钾离子浓度往往变化较大,植物常常面临低钾胁迫,因此研究植物响应低钾胁迫的分子机制具有重要的科学意义。本实验室前期利用EMS诱变群体筛选得到一个低钾敏感突变体lks26。在lks26中KT/HAK/KUP钾离子转运体家族成员KUP9发生了单碱基突变,造成KUP9第308位亮氨酸突变为苯丙氨酸。本论文从lks26(KUP9F)突变体及kup9缺失突变体入手,深入研究了KUP9参与拟南芥响应低钾胁迫的分子调控机制。低钾移苗实验结果显示,与野生型相比lks26(KUP9F)突变体表现出根部持续生长,冠部提前发黄的低钾敏感表型,而kup9缺失突变体与野生型相比则无明显差异,表明lks26(KUP9F)突变体的低钾敏感表型不是因KUP9功能缺失造成的。在低钾条件下,KUP9F突变体根中的钾含量显著高于野生型,而冠部钾总量则显著低于野生型。进一步检测发现,KUP9F突变体木质部伤流液中的钾离子浓度显著低于野生型,表明低钾条件下KUP9F突变体中钾离子从根部向冠部转运的过程受阻。通过对ProKUP9:GUS转基因材料的染色观察发现,KUP9在拟南芥生长发育各个时期均有一定程度表达,在根部的维管组织及静止中心的表达丰度较高。在酵母中对KUP9F钾转运活性的检测结果显示,KUP9F具有一定的钾吸收活性,并且KUP9F的钾吸收能力比野生型KUP9强。蛋白结构预测结果显示KUP9F的突变位点位于可能的钾转运活性凹槽,该突变可能影响蛋白的钾转运活性。以上结果说明KUP9F为功能获得性突变体,其突变会影响钾离子从根向冠的转运过程。本论文工作还发现,在低钾萌发条件下kup9缺失突变体的主根长度显著短于野生型。对根尖细胞形态的观察结果显示,在低钾条件下,kup9突变体根尖的原初干细胞排列紊乱、静止中心结构丧失。说明KUP9对低钾条件下静止中心形态的维持和主根生长具有重要作用。此外,本论文还对KUP9同源基因KUP10和KUP11的生理功能开展了初步探究。结果显示,KUP10和KUP11在拟南芥多个器官中均有表达。与KUP9不同的是,二者在幼苗根尖不表达。在低钾萌发条件下,kup10和kup11单突变体并未表现出低钾敏感表型,而kup9 kup10和kup9 kup11双突变体都表现出类似kup9主根短的低钾敏感表型。kup9 kup10 kup11三突变体的低钾敏感表型更为显著,且三突变体无法在土壤中生长存活,需要在含高浓度钾离子(20 mM)的水培液中才能完成生活史并结实。亚细胞定位结果显示,KUP9、KUP10和KUP11有可能定位在细胞质膜及细胞内膜系统上。本论文工作的研究结果表明,KUP9F为功能获得性突变体,第308位亮氨酸的突变会干扰钾离子从根向冠的转运过程。KUP9基因参与拟南芥对低钾胁迫的响应,并调控低钾下主根的生长。KUP10和KUP11与KUP9具有一定的功能冗余,它们一起调控拟南芥在低钾下的生长发育过程,但它们三者的功能也可能存在一定的差异。该论文研究结果为我们认知KT/HAK/KUP钾离子转运体家族成员的生理功能提供了重要实验证据。