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钾(K)在植物的生长发育以及作物的产量与品质形成过程中起着十分重要的作用。我国土壤钾素耗竭十分严重,耕地缺钾的范围逐渐扩大,农作物对钾肥的大量需求和耕地供钾不足之间的矛盾日益突出。土壤缺钾问题已经成为我国农业生产中一个重要的限制因子。因此,开展作物耐低钾的生理及分子机理研究,揭示作物低钾耐性机制,具有重要的理论与实践价值。青藏高原一年生野生大麦(Hordeum vulgare L.subsp.spontaneum)是我国特有的珍贵资源,具有丰富的遗传多样性,蕴藏有优异的抗逆基因资源。本研究以此为主要研究材料,研究耐低钾的生理与分子机理,取得的主要结果如下：1.基于RNA-Seq技术的野生大麦响应低钾胁迫表达谱分析以两个西藏野生大麦低钾耐性不同基因型(XZ153,耐低钾；XZ141,低钾敏感)为材料,利用Ilumina的RNA-Seq技术分析了这2个基因型响应低钾的转录组。低钾处理6h和48 h,共鉴定到692个差异表达基因(DEGs),包括转录因子、转运体、蛋白激酶、氧化胁迫和激素信号传导等。从中随机挑选了15个基因,荧光定量RT结果与测序的结果趋势基本一致,说明RNA-Seq的结果是准确、可靠的,可进行后续分析。同时,对294个可能的低K耐性候选DEGs进行了Blast2Go功能富集,结果显示,结合能力、催化能力和转运体活性占分子功能类别的比例高达89%。另外,对这294个DEGs进行KEGG代谢通路富集分析。结果为,47种酶类定位在32个不同的代谢通路中,主要涉及淀粉和蔗糖代谢、脂类代谢和乙烯生物合成等。基此,提出了XZ153耐低钾的分子机制模型。结果显示,乙烯响应途径可能是低钾耐性基因型差异的重要分子机制之一。XZ153在低钾胁迫下反应迅速,能较早启动如钾转运体等基因的表达,因而可吸收和积累更多的钾,从而表现较强的低钾耐性。2.基于串联质谱标签(TMT)技术的大麦叶片响应低钾胁迫定量蛋白组学研究以两个西藏野生大麦基因型(XZ153,耐低钾；XZ141,低钾敏感)和栽培品种鹿岛麦(耐低钾)为材料。结果显示：低钾处理下XZ141总干物质重降低最多(33%),XZ153降低最小(9.6%)。此外,XZ141呈典型的缺钾症状,鹿岛麦有轻度缺钾症,而XZ153未表现缺钾症状。由此可见,XZ153低钾耐性最强,XZ141对低钾最敏感。此外,组织离子组响应也存在基因型差异,XZ153地上部钾的含量减少最少,而XZ141根部P.Zn.Cu和Fe降幅最大。同时,TMT定量蛋白质结果显示,低钾处理16 d,三个材料差异蛋白总共为288个,其中可能与低钾耐性相关有129个蛋白,包括BTF3转录因子、ABC转运蛋白、苏氨酸/丝氨酸类蛋白激酶等；此外,还鉴定到一些逆境胁迫响应应答因子,如细胞色素P450,苯丙氨酸解氨酶(PAL)等。以上结果表明,XZ153具有较强的离子平衡能力和抗氧化系统等。PAL介导的苯丙烷类次生代谢途径和乙烯响应代谢通路是解释低钾耐性基因型差异的重要分子机制。3.大麦响应低钾胁迫的代谢组学分析利用气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术,分析了低钾(0.01 mM)和正常供钾(1 mM)处理16 d的XZ153、XZ141和鹿岛麦3个大麦基因型根和叶片代谢组差异,结果鉴定到61种代谢物响应低钾胁迫。层序聚类分析发现,代谢物在不同样本间的差异大小顺序为：组织间(根vs叶)最大,其次是处理间(低钾vs对照),基因型间(XZ153、XZ141和鹿岛麦)最小。氨基酸合成的代谢物明显增加,而参与TCA循环的代谢物积累受到抑制,这是根部和叶片代谢组响应低钾胁迫的典型特征。此外,带负电荷氨基酸：天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)及提供负电荷的有机酸：柠檬酸含量在叶片和根中均减低,而带正电荷的碱性氨基酸赖氨酸(Lys)含量上升,从而维持细胞质中电荷的平衡。再者,葡萄糖等糖类积累,保证能量基质供应,这是大麦响应低钾的生理基础。低钾胁迫下,XZ153通过提高活性氧自由基清除剂的含量(如脯氨酸和抗坏血酸),进而增强抗氧化胁迫能力,这可能也是该基因型表现较强低钾耐性的机制之一。4.大麦HvHKT7基因的克隆及初步分析根据RNA-Seq测序得到的一个HK(high-affinity K+ transporter)基因序列,我们从XZ153中克隆获得了该基因,其cDNA长度为1776 bp,命名为HvHKT7,包含完整的CDS长度为1749 bp,编码582个氨基酸,为9次跨膜蛋白。基因结构分析发现,该基因由2个内含子和3个外显子组成。基因多态性结果显示,HvHKT7编码区在XZ153和XZ141两个基因型之间总共有5个SNP位点,导致3个氨基酸差异。同源比对结果表明,HvHKT7基因与水稻OsHKT1;4和小麦TmHKT1;1的序列相似性最高,达到60%以上。结构域分析发现,HvHKT7存在4个P-loop结构。第1个保守的P-loop区,对应的氨基酸为丝氨酸(Ser),现有分类属于第1亚族。HvHKT7基因启动子区不仅包含激素应答响应元件,如CGTCA-motif和TGACG-motif与JA信号相关,还有一些逆境胁迫响应的顺式作用元件,如5’UTR Py-rich stretch.HSE.TC-rich repeats.ABRE等。RT-PCR结果显示,HvHKT7基因的表达呈现明显的基因型差异,在XZ153中一直持续高表达。由此可以推测,HvHKT7介导的离子转运,可能与低钾耐性相关。亚细胞定位结果显示,HVHKT7是一个典型的膜蛋白,定位在质膜和核膜上。