（草业科学专业论文）海滨碱蓬Naltgt吸收途径的研究.pdf

兰州大学硕士学位论文 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a - 吸收途径的研究 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 摘要 n a + 是土壤及土壤溶液中的大量元素，在地球上绝大部分土壤中是占优势的土壤溶 液阳离子，是影响植物生长和作物产量的重要环境因素。盐分对植物的有害影响包括渗 透胁迫、n a 十对酶的抑制作用、与k + 相互竞争以及引发的次生胁迫等。n a 十如何进入植 物体内是解决这一问题的关键，n a + 吸收途径的阐明有助于人们理解植物体内的n a 十稳 态，并进而通过减少n a + 的进入以控制其毒害效应。 本研究中采用积盐型植物海滨碱蓬为材料来研究其n a + 吸收的途径。避免了传统研 究中采用甜土植物带来的弊端。实验分别测定了2 5m m o l ln a + 和1 5 0m m o l ln a + 浓度 处理下，海滨碱蓬的n a + 吸收速率在4 8 h 内的变化，结果表明海滨碱蓬在4 8 h 内的n a - 吸收速率基本保持不变。 在接近积盐型植物海滨碱蓬最适生长的1 5 0m m o l ln a c l 处理下，n s c c s 阻断剂 c a m p 和c a 2 + 及n a + 的竞争性抑制剂l i + 在4 8 h 、甚至在1 4 4 h 的处理期对整株中的n a + 含量没有显著地影响，而典型的k 通道抑制剂t e a + 和c s + 在4 8 h 的处理期使海滨碱蓬 根系的n a - 吸收速率分别降低了5 0 和2 4 。即使在2 5m m o l l 低浓度n a c l 处理下， 5 0 0g m o l lc a m p 、1 0m m o l ll i + 和1 0m m o u lc a 2 上在1 4 4 h 的处理期对海滨碱蓬整株中 的n a + 含量也没有表现出显著地影响。与1 5 0m m o l ln a c l 不同，1 0m m o l lt e a + 和3 m m o l lc s + 对2 5m m o l ln a c l 处理下海滨碱蓬根系n a + 吸收速率没有显著影响。但k 十 通道抑制剂b a 2 + 对2 5n m a o l l 和15 0m m o l ln a c l 处理下海滨碱蓬根系n a + 吸收速率均 表现出显著的抑制效应，分别使其降低了4 7 和2 9 。我们的结果表明，n a - 的吸收并 不是通过n s c c m 在低浓度的外界n a c l 下，n a + 的吸收是通过对t e a + 和c s + 不敏感、 对b a 2 + 敏感的k + 转运蛋白，而在高浓度的n a c l 下则是通过对t e a + 、c s + 和b a 2 + 敏感的 k + 通道。 关键词：海滨碱蓬；n a + 吸收途径：n a + 吸收速率 i i 兰卅i 大学硕士学位论文 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a 吸收选径的研究 s t u d i e so nn a + u p t a k e p a t h w a y so fs u a e d am a r i t i m a a b s t r a c t s a l i n i t ys t r e s si so n eo ft h em o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r sl i m i t i n gt h eg r o w t ha n d p r o d u c t i v i t y o fa g r i c u l t u r a lc r o p sw o r l d w i d e ，h i 曲c o n c e n t r a t i o n so fs a l t sc a u s ei o n i m b a l a n c ea n dh y p e r o s m o t i cs t r e s si np l a n t s a sac o n s e q u e n c eo ft h e s ep r i m a r ye f f e c t s ， s e c o n d a r ys t r e s s e ss u c ha so x i d a t i v ed a m a g eo f t e no c c u r s t u d y i n gn a _ u p t a k ep a t h w a y si sa n i m p o r t a n tm e a n st o t h eu n d e r s t a n d i n go fp l a n ti o nh o m e o s t a s i sa n do s m o b a l a n c e ，a n d d i m i n i s hn a + i n f l u xt oc o p ew i t hs u c hs t r e s s f u le n v i r o n m e n t s t h ed a t ao nw h i c hc u r r e n th y p o t h e s e sr e s th a dl a r g e l yc o m ef r o me x p e r i m e n t so n g l y c o p h y t e s ( i n c l u d i n gt h em o d e lp l a n ta r a b i d o p s i s ) ，w h i c ha c c u m u l a t el i t t l en a + i n t ot h e i r l e a v e sw h e nc o m p a r e dw i t hm o s th a l o p h y t e s w eu s e dt h es u c c u l e n th a l o p h y t es u a e d a m a r i t i m a am e m b e ro ft h ec h e n o p o d i a c e a et oe x a m i n ei t sn a _ i n f l u xp a t h w a y n a 十 a b s o r p t i o nr a t eo fs u a e d am a r i t i m aw i t hd i f f e r e n tt i m ew h e np l a n t sw e r ei nb o t h2 5a n d15 0 m r n o l ln a c lh a dn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e h e r ew er e p o r tt h a tc a m pa n dc a 2 + ( b l o c k e r so fn o n s e l e c t i v ec a t i o nc h a n n e l s ，n s c c s ) a n dl i + f ac o m p e t i t i v ei n h i b i t o ro fn 矿u p t a k e ) d i dn o th a v ea n ys i g n i f i c a n te f f e c to nt h e u p t a k eo f n a + b y t h eh a l o p h y t es u a e d am a r i t i m aw h e np l a n t sw e r ei n2 5o r1 5 0m m o l ln a c i ( n e a r o p t i m a l f o rg r o w t h ) h o w e v e r , t e a + c s + a n db a 2 + ( i n h i b i t o r so fk + c h a n n e l s ) s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h en e tu p t a k eo fn a 十f r o m15 0m m o l ln a c lo v e r4 8h ，b y5 4 ，2 4 a n d2 9 ，r e s p e c t i v e l y i nc o n t r a s tt ot h es i t u a t i o ni n15 0m m o l ln a c l ，n e i t h e rt e a + n o rc s + s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dn e tn a + u p t a k ei n2 5m m o l ln a c i b a 2 + d i ds i g n i f i c a n t l yd e c r e a s en e t n a + u p t a k e ( b y4 7 、i n2 5m m o l ln a c l t h ed a t as u g g e s tt h a tn e i t h e rn s c c sn o rl c ta r e m a j o rp a t h w a y sf o rn 0e n t r yi n t or o o tc e i l s w ep r o p o s et h a tt w od i s t i n c tl o w - a f f i n i t yn 素 u p t a k ep a t h w a y se x i s ti ns u a e d am a r i t i m a ：p a t h w a y1 i si n s e n s i t i v et ot e a + o rc s + ，b u t s e n s i t i v et ob a 2 + a n dm e d i a t e sn a + u p t a k eu n d e rl o ws a l i n i t i e s ( 2 5m m o l ln a c i ) ；p a t h w a y2 i ss e n s i t i v et ot e a + ，c s + a n db a 2 + a n dm e d i a t e sn a + u p t a k eu n d e rh i g h e re x t e r n a ls a l t c o n c e n t r a t i o n s ( 1 5 0m m o l ln a c l ) k e yw o r d s ：s u a e d am a r i t i m a ；n a + u p t a k ep a t h w a y s ；n a + a b s o r p t i o nr a t e 原创性声明 本人郑薰声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成恭。学位论文中凡引用他人已缀发表或未发表的成果、数 据、鼹点等，均已镄确注明出处。涂文中已经注暖；鼹的内容外，不包含 任何英弛个人或集体已经发表或撰写过的科研成装。对本文的研究成果做 出重要贡献妁个人和集体，均已在文申以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰塞翅霾 e l 豢：兰翌友蠡茎 兰州大学硕士学位论文海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：值盘勤导师签名 兰州大学硕士学位论文海滨碱蓬( s h a e d am a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 第一章引言 地球上约有9 5 1 0 8 h m 2 盐碱地，分布于1 0 0 国家，其中中国的盐渍地面积约为 9 9 1 07 h m 2 ，土壤盐碱化是人类面临的世界性问题( 王遵亲等，1 9 9 3 ； f l o w e r s ，2 0 0 4 ) 。全球范围内约4 0 的灌溉地受到土壤盐碱化的危害，尽管灌溉地仅占耕 地面积的1 5 ，但因高产灌溉地上产出的粮食却占粮食总产量的1 3 ( m u n n s ，2 0 0 2 ) 。土 壤盐渍化是主要的非生物胁迫之，土壤中高浓度的n a + 对大多数的高等植物，特别是 农作物产生毒害效应、扰乱植物对k + 和其它矿质营养元素的吸收、产生渗透胁迫并诱 发诸如氧化胁迫等次生胁迫作用，从而引起生长受抑、甚至导致植物的死亡，对农业生 产构成严重的威胁f z h u ，2 0 0 1 ) 。 低亲和性n a - 吸收是造成植物盐害的诱因，其吸收途径和转运机制的阐明有助于人 们理解植物体内的n a + 稳态，并进而通过减少n a t 的进入以控制其毒害效应。可是，目 前对毒性n a + 进入根细胞的通道和转运蛋白还不清楚( h o r i ea n ds c h r o e d e r ，2 0 0 4 ) 。这是 因为在高等植物n a + 吸收机制研究方面主要以盐敏感的甜土植物( g l y c o p h y t e ) 女1 拟南芥、 水稻、小麦等和盐生植物( h a l o p h y t e ) ! t n d , 花碱茅( p u c c i n e l l i at e n u i f l o r a ) ( w a n ge ta 1 ， 2 0 0 4 ) 、盐芥( t h e l l u n g i e l l ah a l o p h i l a ) ( i n a n e ta 1 ，2 0 0 4 ) 为对象，前者拒盐能力弱、土壤中 盐浓度稍高将会使其遭受伤害；小花碱茅拒盐能力极强，有很强的k + n a + 选择性吸收， 因此降低了n a + 的吸收( w a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) ：盐芥( i n a ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 是泌盐植物，其表皮细 胞囊贮存n 矿( a d a m se ta 1 ，1 9 9 8 ；s ue ta 1 ，2 0 0 2 ) 。因此，上述植物并不适合低亲和性n a + 吸收途径的研究：此外，当介质中存在高浓度的n a c l 时，用异源表达系统不能对n a 十 的吸收进行有效地检测( g a r c i a d e b l a se ta 1 ，2 0 0 3 ) 。缺乏合适的研究系统已严重阻碍了学 术界对n a + 吸收途径的研究。因此，寻求新的研究系统就显得尤为重要。 藜科植物海滨碱蓬是积盐型植物，有很强的积累n 矿的能力( y e oa n df l o w e r s ，1 9 8 0 ； w a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) 。其在2 0 0m m o l l 左右的n a c i 介质中生长达到最佳，而这样高的 n a 十浓度会对拒盐能力弱的甜土植物造成严重伤害。因此，用大量积n a + 的盐生植物海 滨碱蓬为材料来研究低亲和性n a + 吸收途径，是较为理想的研究系统。解析植物根系 n a + 吸收途径，在农作物抗盐性的遗传改良方面有广阔的应用前景。 兰州大学硕士学位论文海滨碱蓬( 鼬n b 出m a r i t i m a ) n a _ 吸收途径的研究 第二章国内外研究进展 1 n a + 对植物的毒害 盐碱土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土的统称。在中国内陆干旱和半干旱地区， 由于气候干旱，地面蒸发强烈，在地势低平、排水不畅或地表径流滞缓、汇集的地区， 或地下水位过高的地区，广泛分布着盐碱化土壤。在滨海地区，由于受海水浸渍，也有 盐土的分布。此外，用含盐量较高的水灌溉农田，若只有灌溉系统而无排水系统或灌溉 不当，也都会抬高地下水位，使盐分上升到土表而形成次生盐碱化。盐碱土壤溶液中主 要的毒害离子是n a 十，盐胁迫是降低作物产量的环境因子之- - ( s q u i r e s ，1 9 9 4 ) 。灌溉是土 壤退化的一个重要原因，因为溶解在灌溉水中的盐分随着水分的蒸发被留在耕层土壤中 ( z h u ，2 0 0 1 ) ，土壤盐渍化可能会引起可耕地的继续废弃。而耕地是人类生存发展的基 础资源，2 0 世纪以来，尤其是第二次世界大战以后，世界人口迅速膨胀，其速度远远 超过粮食产量的增长，盐碱化及次生盐渍化致使有限的可耕地资源面临着一场新的危 机。 当土壤表层含盐量超过o 6 时，对一般农作物的生长开始有害，大多数植物已不 能在其上生长了，只有一些耐盐性强的植物尚可生长。根据植物对高浓度盐分的耐受能 力，将植物分为盐生植物( h a l o p h y t e ) 和甜土植物( g l y c o p h y t e ) ( f l o w e re ta 1 ，1 9 7 7 ) 。盐生 植物通常生活于渗透势在0 3 3 m p a 以下( 相当于7 0m m o l ln a c l 以上) 的土壤环境中 ( m u n n sa n dl a n g e ，1 9 8 3 ) 。世界约有盐生植物种类1 5 6 0 ( a r o n s o n ，1 9 8 9 ) ，隶属7 5 科2 2 0 属5 5 0 种。 根据盐生植物的生理和形态学特点，b r e c k l e ( 1 9 9 5 ) 将盐生植物分为3 个生理类型：( 1 ) 真盐生植物( e u h a l p h y t e ) ，包括叶肉质化真盐生植物( 1 e a fs u c c u l e n te u h a l p h y t e ) 和茎肉质 化真盐生植物( s t e ms u c c u l e n te u h a l p h y t e ) 2 种，真盐生植物又被称作稀盐盐生植物 ( s a l t - d i l u t i o nh a l o p h y t e ) ，如碱蓬属( s u a e d a ) 植物、滨藜属0 t r i p l e x ) 植物等；( 2 ) 泌盐盐 生植物( r e c r e t o h a l o p h y t e ) ，分为利用盐腺泌盐的盐生植物和利用囊泡泌盐的盐生植物， 如柽柳属( t a m a r i x ) 植物、米草属( s p a r t i n a ) 植物等；( 3 ) 假盐生植物( p s e u d o h a l o p h y t e ) ，又 被称作拒盐盐生植物，主要是通过根较强的过滤能力不吸收或少吸收土壤中的盐分或阻 止盐分上运到叶而将盐分滞留在根部或茎秆中，如芦苇属( p h r a g m i t e s ) 、蒿属r t e m i s i a ) 植物等。真盐生植物形态上常表现为肉质化，吸收的盐分主要积累于叶肉细胞的液泡中， 兰卅大学硕士学位论文 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 细胞质中通过合成有机渗透溶质以维持与液泡的渗透平衡，表明盐生植物的生长发育存 在一个最适盐浓度，n a + 是其生长发育的必需元素。而甜土植物在非盐渍生境中生长具 有竞争优势，它们的耐盐性一般在土壤表层含盐量0 6 以下( m u n n sa n dl a n g e ，1 9 8 3 ) 。 全球栽培的2 0 0 余种农作物中，大多数为盐敏感的甜土植物。土壤中高浓度的n r 对大多数植物，特别是农作物的伤害主要表现在三方面：其一，土壤中较高的盐浓度导 致的水分亏缺；其二，植物吸收过多的盐离子所带来的离子毒害，特别是n a - 毒害；其 三，过多摄入n a 十引起的k + n a * l l 率的不平衡( h a m a d ae ta 1 ，2 0 0 1 ，。根表面过量的n a + 扰乱了植物k + 营养，而c 对于维持细胞澎压，膜势以及许多酶活性具有重要作用。由 于n a + 、f 的离子半径和水合能( i o nh y d r a t i o ne n e r g i e s ) 相似，当n a + 浓度过高时就会对 根吸收k + 产生强抑制效应。例如，拟南芥k + 吸收转运蛋白k u p l 可以介导低亲和性和 高亲和性的k + 吸收，当外界n a c l 浓度高于5m m o l l 时，通过k u p l 的k + 吸收就受到 抑制( k i me ta 1 ，1 9 9 8 ；f ua n dl u a n ，1 9 9 8 ) 。因此，盐渍化土壤上的植物往往遭受n a + 毒害和k + 亏缺的双重伤害。一个普遍的现象是：植物经盐处理后，其细胞内k + 含量下 降。这部分地导致了植物在盐胁迫下的生长减缓和活力下降。在世界范围内，土壤溶液 中的高浓度盐导致了各种作物的减产，全球大约6 的陆地面积和1 3 的灌溉地受到土 壤盐分的严重影响( d e m i d c h i ka n dt e s t e r , 2 0 0 2 ) 。 2n a + 对植物的有益作用 尽管高浓度的n a + 对植物有害，但低浓度的n a 十是一种有益元素，可以促进植物生 长，特别是介质中k + 浓度很低时，对植物生长是有益的( 郭鹏程1 9 9 3 ；b r o w n e l l ，1 9 7 9 ) 。 在k + 不足时添加n a + 能促进植物生长。向含有2 5i - t m o l lk 十的溶液中添加4 0m m o l l n a c l 可使水稻产量增加一倍多( m e n g e la n dk i r k b y , 1 9 8 2 ) 。n a + 可以维持细胞水势平衡。 当水分供应有限时，n a + 通过对气孔的调节改善植株的水分平衡状况，用含有n a + 和k + 的溶液培养甜菜与只含k + 的溶液培养相比，植物叶片气孔关闭得要快。在盐生植物紫 苑( a s t e rt r i p o l i u m ) 中，n a + 通过调节气孔运动降低蒸腾速率可减少n a 十在地上部的积 累( v 6 r ye ta 1 ，1 9 9 8 ) 。n a + 对一些盐生植物来说，是其生长发育所必需的营养元素。用 2 0 0 r n m o l l 以下的n a c l 处理盐地碱蓬( s u a e d as a l s a ) ，发现植株的鲜重、干重以及有 机干重均随外界盐浓度的升高而增大( 赵可夫，1 9 9 3 ) ；张海燕等( 1 9 9 8 ) 研究发现，用 1 0 0 1 5 0m m o l l n a c l 处理盐地碱蓬后，其地上部分和根的鲜重、干重均高于对照，1 0 0 兰州大学硕士学位论文海溟碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a l 吸收途径的研艽 n m a o l ln a c l 处理的地上部分和根的鲜、干重最大，分别是对照的1 8 3 和1 ，7 5 倍，以 及3 1 0 和2 2 1 倍。当土壤k + 亏缺时，高亲和性n 矿吸收系统对植物是有益处的，因为 n a + 可以替代k + 在液泡的渗透调节中发挥重要作用( f l o w e r sa n dl i u c h l i ，1 9 8 3 ； r o d r i g u e z - n a v a r r o ，2 0 0 0 ) 。而盐渍化土壤中，高浓度的n a + 对多数农作物产生了胁迫效 应( g r e e n w a ya n dm u n n s ，19 8 0 ) 。 3n a + 进入植物体的可能途径 无论是甜土植物还是盐生植物，其细胞质酶对过高的n a + 浓度都十分敏感( f l o w e re t a 1 ，1 9 7 7 ；g l e n ne ta 1 ，1 9 9 9 ) 。植物主要采取三种策略来降低细胞质内过高的n a + 浓度： 限制n a + 的吸收、增加n a 十的外排和n a + 的区隔化。另外，为了避免细胞损伤和营养缺 乏，植物需要在细胞质内维持足量的k + 营养和合适的k + n a + 比率m i ue ta 1 ，1 9 9 5 ； s e r r a n oe ta 1 ，2 0 0 1 ) 。将细胞内过多的n a + 区域化在液泡中是植物细胞抵御其内部盐胁迫 的方式之一，这不但降低了过量n a - 对细胞质的伤害，而且降低了细胞的渗透势，利于 水分的吸收，从而大大提高植物的耐盐性和抗旱性( f l o w e r se la 1 ，1 9 7 7 ) 。这一过程是由 液泡膜n a + h + 逆向转运蛋白完成的，由液泡膜上的一一a t p a s e 和h + 一p p i a s e 提供能量 ( a p s ee ta 1 ，1 9 9 9 ；f u k u d ae ta 1 ，1 9 9 9 ；g a x i o l a e ta 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 。液泡膜上的n a + h + 逆向 转运蛋白a t n h x l 和液泡膜上的a v p l 在转基因植株上的超表达都使其耐盐性提高 ( a p s ee ta 1 ，1 9 9 9 ；z h a n ga n db l u m w a l d ，2 0 0 1 ；z h a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ；g a x i o l ae ta 1 ，2 0 0 1 ) 。细 胞质n 矿的外排是降低钠在植物细胞质中积累的另一条途径( b l u m w a l de ta 1 ，2 0 0 0 ) 。这 一过程是由质膜n r h + 逆向转运蛋白完成的，由质膜上的h + - a t p a s e 提供能量，s h i 等 ( 2 0 0 2 ) 鉴定到拟南芥s o s l 基因编码的质膜n a + h + 逆向转运蛋白。s o s l 基因的超表达通 过降低盐胁迫下钠的积累提高了转基因拟南芥的耐盐性( s h ie ta l ，2 0 0 3 ) 。但控制n a + 在 植物细胞中积累的关键还是降低根系对n a + 的吸收。 4 0 年前r a i n s 和e p s t e i n ( 1 9 6 5 ，1 9 6 7 a ，1 9 6 7 b ) 提出了植物n a + 吸收的双系统机理：高 亲和性吸收机制l 和低亲和性吸收机制2 。高亲和性吸收系统( h i g h a f f i n i t ys y s t e m ) 在 o 0 0 5 0 2m m o l l 低n a + 环境下运行，受到甚至低浓度k 的强烈抑制；低亲和性吸收系 统( 1 0 w a f f i n i t ys y s t e m ) 在o 5 5 0m m o l l 高浓度n a + 环境下运行。机制1 和机制2 都会受 到缺氧胁迫、解偶联剂、2 、4 - 二硝基苯酚的抑制，其中机制1 受到c a ：+ 的强烈抑制， 当k + 和c a 2 + 同时出现在吸收溶液中时，机制1 几乎完全失活。在大麦中，机制l 和机 兰州大学硕士学位论文海滨碱莲( 肌a e 出m a r i t i m a ) n a * 吸收途径的研究 制2 对k + 和n a + 的选择性不同，机制1 对心的亲和性高于对n a + 的亲和性，而机制2 则相反，当n 矿和k 上的浓度相同且变化范围处于1 5 0m m o f l 时，机制2 几乎只转运 n a + 。r a i n s 和e p s t e i n ( 1 9 6 5 、1 9 6 7 b ) 认为这种双系统吸收机理是由于在植物体内存在两 种类型的转运蛋白或者同一种蛋白存在着两种状态。 目前的研究认为，n 矿是通过非选择性阳离子通道、高亲和性k + 通道以及低亲和性 阳离子转运蛋白等进入植物体内，这些通道或转运蛋白包括n s c c s v i c s 、l c t l 、h k t 、 k u p h a k k t 、a k t l 等。 3 1 非选择性阳离子通道( n s c c s ) 越来越多的证据表明植物细胞质膜上存在非选择性阳离子通道( n o n s e l e c t i v ec a t i o n c h a n n e l s ，n s c c s ) 或者电压非依赖型通道“o l t a g e i n d e p e n d e n tc h a n n e l s ，v i c s ) ( d e m i d c k i ke ta 1 ，2 0 0 2 a ；x y e l t l l a na n ds k e r r e t t ，19 9 9 ) 。v i c s 反映了这些通道对膜势较低 的依赖性的特点，而这些通道的真正与众不同的特点在于缺乏阳离子选择性( t y e r m a n ， 2 0 0 2 ) 。n s c c s 对一系列的单价阳离子缺乏选择性，c a “和c a m p 抑制其离子的电导性 ( t e s t e ra n dd a v e n p o r t ，2 0 0 3 ) 。由于其弱选择性，n s c c s 参与了植物的许多生理过程，例 如低亲和性营养元素吸收、膨压控制、胞间转运及信号转导。n s c c s 的弱选择性同时也 导致了对一些毒害离子，尤其是n a + 的吸收。电生理的研究表明在小麦和玉米根皮层以 及大麦悬浮培养细胞中存在n a - 流入( i n f l u x ) 的电流。 非选择性阳离子通道的一个共同特征是它们对典型的心通道阻塞剂如t e a + 和c s + 等缺乏敏感性( a m t m a n na n ds a n d e r s ，1 9 9 9 ) ，t e a + 、异搏定( v e r a p a m i l ) 、f l u f e n a m a t e 等在 胞外对n s c c s 的n a + 吸收没有影响( d a v e n p o r ta n dt e s t e r , 2 0 0 0 ；m a a t h u i sa n ds a n d e r s ， 2 0 0 1 ) 。非选择性阳离子通道还具有其它一些特点：通常在质膜上成簇分布，其介导的 阳离子电流呈现白发并且同时的特点；通道在生理膜势范围内，至少半数时间处于开放 状态( d a v e n p o r t a n d t e s t e r , 2 0 0 0 ) ；当膜势高于1 2 0 m v 时，n s c c s 开放的时间为6 0 一8 0 ， 而当膜势比一1 2 0 m v 更负时，其开放时间降低( w h i t ea n dt e s t e r , 1 9 9 2 ；d a v e n p o r ta n d t e s t e r , 2 0 0 0 ) 。通过n s c c s 的电流呈现瞬时的特点，d e m i d c h i k 和t e s t e r 认为可能是n s c c s 在任何电势下均可开启，或者n s c c s 的激活极为迅速( 2 0 0 2 ) 。虽然近年来电生理方面的 一些证据认为n s c c s 是根细胞吸收n a + 的主要途径( d e m i d c h i ka n dt e s t e r , 2 0 0 2 ) ，可至今 没有分离到编码n s c c s 的基因，因此这一途径在分子水平上得不到证实。 兰州大学硕士学位论文海滨碱蓬( a p 出m a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 3 2 低亲和性阳离子转运蛋i 兰i ( l c t l ) n a _ 吸收的另外一条可能的途径是低亲和性阳离子转运蛋白( 1 0 w a f f i n i t yc a t i o n t r a n s p o r t e r , l c t l ) ，l c t l 是s c h a c h t m a n 等( 1 9 9 7 ) 首次从小麦中克隆分离到的一种新的转 运蛋白，主要表达于小麦叶片和根部中。l c t l 包含8 1 0 4 预测的跨膜区域以及一个富含 p r o 、s e r 、t h r 及g l u 序列的亲水氨基酸。 表达了l c t l 的k + 吸收缺失突变体酵母能够在含7m m o l lc 的培养基上生长，而在 含3 0g m o l l k + 的培养基上则不能生长，说明l c t l 介导低亲和性阳离子吸收。实验表明 l c t l 能介导低亲和性r b + 和n a + 吸收，在短周期吸收测验中，表达l c t i 的突变体酵母细 胞的n a + 吸收速率为r b + 的1 7 0 倍，在表达l c t l 的细胞中，n a + 的长周期f 4 0 m i n ) 吸收速率 低于短周期( 6 m i n ) 吸收速率。由于长周期吸收速率可能包括酵母对介质中n 矿的适应，如 e n a 基因家族编码的n a 中a t p 酶对n a 卞的外排作用，所以短周期n 矿吸收速率更能准确地 反映l c t l 的转运活性。因此，在短周期n a 十吸收速率测定中，表达l c t l 的细胞高于对照 细胞的结果表明l c t l 可能介导n a + 的大量吸收( s c h a c h t m a ne ta 1 ，1 9 9 7 ) 。l c t l 的表达使 酵母的盐敏感性增强( a m t m a n ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。但在植物根中并没有检测到l c t l 介导的n a _ 吸收，而且在典型的土壤c a 2 + 浓度下l c t l 并不能发挥吸收n a + 的作用( g a r c i a d e b l a se ta 1 2 0 0 3 ) 。新近的实验还表明l c t l 是c a 2 + 吸收的重要途径( a n t o s i e w i c za n dh e n n i g ，2 0 0 4 ) 。 3 3h k t 类转运蛋白 h k t 类转运蛋白是广泛存在于植物、酵母、细菌以及真菌中的一个超级家族蛋白( l i u e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。s c h a c h t m a n 和s c h r o e d e r ( 1 9 9 4 ) 从植物中克隆了第一个与酵母t r k 同源的 h k t 转运蛋白小麦h k t l ，原位杂交显示h k t l 表达于根皮层细胞以及叶片中围绕维管组 织的细胞中。h k t lc d n a 的开放读框编码的蛋白质长度为5 3 4 个氨基酸( 相对分子质量 5 8 ，9 0 0 ) ，全序列长为1 , 9 7 1 b p ，其中含有1 0 一1 2 个跨膜区域。在没有k + 的情形下，h k t l 转运n a + 的速率为k + 的2 6 ( s c h a c h t m a na n ds c h r o e d e r ，1 9 9 4 ) 。当细胞# b k + s n n a + 浓度相近 时，h k t i 则表现为n a + k + 共吸收转运蛋白，一般的模型认为h k t l 的结构中含有一个高 亲和性k + 结合位点和一个高亲和性n a - 结合位点，米氏常数k m 分别为3 9 m o l l 平n 1 7 5 n o l l ，而当细胞外n a + 浓度处于n m a o l l 较高的毒害水平时，n a - 与k 十竞争高亲和性 k + 结合位点，从而导致k + 吸收阻塞，这时在酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 和爪蟾 ( x e n o p u sl a e v i s ) 卵母细胞中就会产生毒害的低亲和性n 矿内流( g a s s m a n ne ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 兰, k l 、大学硕士学位论文 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a _ 吸收选径的研究 因此h k t l 作为一种n a + + 共转运蛋白是n a + 进入植物体内的一条途径。 h k t l 同源蛋白在拟南芥、水稻( o r y z as a t i v a ) 等许多植物中己被分离，根据异源表 达系统上的运输特性h k t 可分两种不同类型：拟南芥a t h k t l 仅转运n a + ( u o z u m ie ta 1 ， 2 0 0 0 ) ；爪蟾卵母细胞上表达的桉树( e u c a l y p t u sc a m a l d u l e n s i s ) e c h k t l 和e c h k t 2 均能介 导k + 、n a + f f g 吸收i f a i r b a i me ta 1 ，2 0 0 0 ) ；水稻o s h k t l 表现出与拟南芥a t h k t l 同样的n a + 特异性运输活k - ，o s h k t 2 表现出与小麦h k t l 类似的k + n a + 共转运活性( h o r i ee ta 1 ， 2 0 0 1 ) 。l a u r i e 等f 2 0 0 2 ) 发现表达反义捌盯，的转基因小麦n a + 的吸收速率降低、抗盐能力 增强。t - d n a 插z , a t h k t i 能抑t j o s o s 3 植株的盐敏感性，据此r u s 等( 2 0 0 1 ) 提出a t h k t l 介 导了拟南芥根n a 十的吸收。但m a s e r 等( 2 0 0 2 ) 和b e r t h o m i e u 等( 2 0 0 3 ) 发现爿t h k t l 功能缺失 突变体( 1 0 s s o f - f u n c t i o nm u t a t i o n s ) 植株地上部的n a + 大量积累、从而引起叶片对n a - 的超 敏感，原位杂交显示4 t h k t l 的表达局限在各器官的韧皮部组织，因此认为a t h k t l 的功 能是将n a + 装载于叶片韧皮部、通过韧皮部再循环将运至根的n a t 卸出，a t h k t l 在植物 体内n r 长距离的运输中起重要作用( h o r i ea n ds c h r o e d e r 2 0 0 4 ) 。最新的实验表明， a t h k t l 通过控肯u n a + 的体内平衡来调节k + 的营养( r u se ta 1 ，2 0 0 4 ) 。因此，对h k t 类转运 蛋白在高等植物根系n a + 吸收中的作用目前还不明确。在介质中存在l a m o l l 级的n a + 耗竭 矿d e p l e t i o n l 实验中，因b a 2 十均呈现出强烈抑制根o s h k t l 表达的酵母对n 矿吸收的药 理学特性，g a r c i a d e b l a s 等( 2 0 0 3 ) 提出了h k t 类转运蛋白介导水稻根高亲和性n a + 吸收的 模式。r o d f i g u e z n a v a r r o 和r u b i o ( 2 0 0 6 ) 的最新分析表明，h k t 转运蛋白不仅介导高亲 和性n a + 吸收，而且也介导低亲和性n a + 吸收。 3 4k u p h a 均，l ( t 转运蛋白 k u p h a k j k t 家族蛋白是广泛存在于酵母、真菌以及植物中的一类k + 转运蛋白，含 有1 2 个跨膜区域。k u p h a 髟z 属于多拷贝基因，如拟南芥和水稻基因组分别含有1 3 个 ( s c h l e y e ra n db a k k e r ，1 9 9 3 ；b a f i u e l o se ta 1 ，1 9 9 5 ；s a n t a - m a r i ae ta 1 ，1 9 9 7 ；k i me ta 1 ，1 9 9 8 ) 和1 7 个( b a f i u e l o se ta 1 ，2 0 0 2 ) k u p h a 幻k 7 基因序列。图1 1 为拟南芥k u p h a k k t 转运 蛋白多基因树( v e r ya a a n ds e n t e n a ch ，2 0 0 3 ；马小娟等，2 0 0 4 ) 。除大麦h v h a k l 、水稻 o s h a k l 等主要表达于植株根部p b ( s a n t a - m a r i ae ta 1 ，1 9 9 7 ；b a f i u e l o s e t a 1 ，2 0 0 2 ) ， k u p h a k 伥t 家族蛋白在植株的根部以及地上各部分都有表达，并且大部分成员受到外 界k + 状况的调节( f u a n dl u a n ，1 9 9 8 ；r u b i oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 兰州大学硕士学位论文 海滨碱蓬( s u a e d am a r i t i m a ) n a + 吸收途径的研究 弛洲。、一， 而删川删、 三；乔- i 萋a t 2 9 3 5 0 6 1 ) 二 表l - 1k u p h a k k t 家族各转运蛋白之间的一致性( 相似i 牛) l l 较( r u b i oe ta 1 ，2 0 0 0 ) kk q k i k u a 0 k ：三 一9 n 船 ， a kk 八0 h m? 9 眺唧， a 、 s 、 t ok 孙凇” n 蟾 a 兰州大学硕士学位论文海滨碱蓬( s u a e d am a a m a ) n a * 吸收途径的研究 3 5a k t l 类通道 a k t l 是典型的植物s h a k e rk + 通道( s e n t e n a ce ta 1 ，1 9