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邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 缩略语 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砷 篷芎 签字日期：函0 8 年6 月心日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被套阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：下档盎 签字日期：珈5 年6 月f 歹日 导师签名：亨f 乞 签字日期：幻口年石月，占日 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 中文摘要 钾是植物细胞中含量最丰富的阳离子之一，对生物体具有重要的生理功能。 现已证明，钾离子的跨细胞膜运输主要通过两种途径，即由k + 载体蛋白组成的 高亲和转运系统( 载体运输) 和由k + 通道蛋白组成的低亲和转运系统( 通道运 输) 来承担的，并发现了它们的专性抑制剂。但也有研究发现，当两种抑制剂同 时加入后，植物对钾离子的吸收并没有停止。那么，此时植物对钾离子的吸收情 况如何，环境因素对它有什么影响，到目前为止还没有明确的报道。 本试验采用水培的方法，对先锋1 号还是西玉3 号两种玉米幼苗的钾离子的 跨膜转移过程受环境因素的影响情况进行了研究，主要研究结果如下： 1 、在抑制剂的选择方面，发现1 m m o l 压，的t e a 比1 0 蚴o l 几的t e a 或 0 1 2 m m o 儿的b a c l 2 对钾离子通道的抑制效果更好。 ， 2 、钾离子的跨细胞膜转移过程是通过载体蛋白组成的高亲和转运系统和由通 道蛋白组成的低亲和系统共同完成的。但随着外源钾离子浓度的升高，前者贡献 的的比例下降，后者贡献的比例增加。 3 、在同时加入钾载体抑制剂和钾通道抑制剂时，作物仍会通过非选择性离子 通道来吸收k + 。 4 、玉米对钾离子的吸收受吸收时间和品种的影响。先锋1 号和西玉3 号对钾 离子的吸收速率都在吸收2 小时后达到最大值，随着吸收时问的延长，吸收速率 明显下降。先锋1 号的吸收速率较西玉3 号的高，这可能与其品种对饥饿反馈机 制和诱导机制的差异有关。 5 、随温度升高，西玉3 号和先锋1 号对钾离子的吸收均呈先上升后下降的趋 势，在2 5 时吸收速率最大。随温度继续升高，吸收速率下降，这可能与温度升 高后叶片蒸腾速率增大，植物细胞内钾离子外流有关。但加入抑制剂后的情况不 同，钾离子的吸收速率虽较末加抑制剂的情况下较低，但是随着温度的升高，钾 离子的吸收速率却呈现出上升的趋势。两种品种相比，先锋1 号的钾离子吸收速 率在加和不加抑制剂时均较西玉3 号高。 2 扬州大学硕士学位论文 6 、溶液p h 影响植物对钾离子的吸收，不同品种所受到的影响也存在着差异。 本试验表明，西玉3 号较大的钾离子吸收速率发生在p h 7 5 左右，较低的吸收速 率发生在p h 4 5 左右。加入抑制剂后，其吸收速率的变化与未加时的趋势相同。 但先锋l 号较大的钾离子吸收速率发生在p h 6 5 左右，而加入抑制剂后，其最大 吸收速率却发生在p h 7 5 左右，较低的吸收速率发生在p h 8 5 左右。 7 、。低p h 条件下( p h 4 5 ，p h 5 5 时) ，两个玉米品种对钾离子的吸收均使 营养液p h 增加，而在高p h 条件下( p h 6 5 ，p h 7 5 和p h 8 5 时) ，它们对钾离 子的吸收均使营养液口h 值降低。 关键词：玉米；钾吸收；非选择性钾离子通道；抑制剂；环境条件 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 3 a b s t r a c t p o t a s s m mi so n eo f l h e m o s ta b u n d a n tc a t i o 璐i n 讪m tc e l l sa n dp l ；v s 锄i 珈却衄t r ；0 l ei np 协tp h y s i 0 1 0 9 y i th a sb e e np r o v e d 也a t 也e r ea r et w ow a y so fp o t a s s i u mi 咄 m e m b r a i l e 一仃a l l s p o nm a i r d y ，t h eh i g h a f f i n i t y 廿_ a 璐p 0 i ts y s 妇 1 1c o m p o s e do fc a r r i e r p r o 把i n sa r l dm ei o w a 触时们1 1 s p o r ts y s t 眦c o i i l p o s e do fc h a n r 地lp r o t e i l l s t h e s p c c i & i 1 1 h i b 耐so fm e s e 储ok i n d so fp m 钯i l l sh a v eb e e nf o 衄d e d h o w e v e r ，o u r r l yr e s c a r c h e ss h o w e d 妇tw b e n t h et w oj n l l i b i t o r sw e r ea d d e da m e 豫m e 矗m 岛t h e p l 卸招o nt h ea b s o r p t i o no fp o t a s s i l l n ld i dn o ts t o p i ti ss t i l lu n c l e 砌yt h a th o wt h e p l 缸赂t a k eu pp o 协s s i 砌c a t i o n st r c 撕d 嘶mi l m i b 沁r s a d 也ea 虢c t i o no f e 芏l v i r o n m e n t a l 丘l c t o r s s o l u t i o nc u l t u r ee ) 【p e r i m 卸招、e r ec a r r i e do u tt 0s 沁d y1 h ee 路c t so fp o t a s s i 吼 u p 忸k eo ne n v i r o m n e n t 对f h c t o r sb yx i a n f e n g1 a n dx i ”3 t h e 谢nr e s u l t sw e r c 嬲 内j l o w s ： 1 1 叫o l l1 e ah a v eab e t t e re f f e c tm a nl o m m o l 几o ro 2 脚。儿b a c l 2i nt h e k + 洳d p r o t e i nb i 洲t i o n 2 t kp r o 嘣so fk + 讹l 姗觞r o s sc e i lm e i n b r a n ci sb yh i 咖a 腼t y 椭1 s p o r t s y 咖mc o n l p o s e do fc a r r i e rp r o l e i na n d 廿1 el o w - a f f i i l i 哆缸a n s p o r ts y s t e t nc o n l p o s e do f c h 锄e lp r o t e i n h o w e v e r a se l e v a | t e dc o n c e n 打a d o i l so fk t l l ef 0 衄c rd e c l 硫e di nt h c p r o p o i o na n dt h ei 甜e ri n c 旧临。d 3 w k nt 1 1 e 口i a n tw 够仃t 嫩e d 谢出b o 血o f t h et w oi n k b i t o r s ，i tc o l l l dt a k e1 1 pk + l h r o u g h 也en o n r s e l e c t i v ei d nc l l 黜d s 4 t h ea b s o r p t i o no fk + 0 fm a i z ew 豁i m p a c t e do f 劬ea n d 谢c t 记s t 1 1 eu p 绌e r a t eo fx i a n f e n gla n d 对y u3a c h i e v et h em a x i m u ma f k rt 、oh o u r sa b s o r b i n g w i m t h ee x t e n s i o no f 岫e t i l eu p t a ：k em t ed e c r e 觚e ds i g n i f k 砒m y t h ex i a 玎王b n g1w 越 l l i 幽rt h a l l ) d ”3 i tm a yb er e l a t e dt ot h eh i l i l g e 卜础u c e df b e d b a c km e c h 姐i s m 矾d t h er e l e f v a n tm e d b a 芏l i s m s 4 场州大学硕士学位论文 5 u n d e rd i 丘b r e n tt e m p e r a t l l r e s ，私t h et e m p e r a t u r er i s e g ，也eu p t a ：k em t e o f 】【i a i l f b n gia n dx i ”3s h o w e d 也a ti tr i s 吨a t 缸tt h e nd e c l i n e d ，a t2 5 t h e r a t e a c l l i e v 嚣t h em a x i m 啪a st h et e m 拼翻t l l r ec o 咖e st 0r i s e ，t h em t ed e c l i n e d n l i sm a y b er e l a t e dt 0t h ep l 柚ts t o m a t a lm d v e m e n t ，髂也et 叩e r 咖r e 恤c r e a s e s ，l e a f 仃a n s p i 姐廿o nr a t ei n c r c a s e ，m e + mp i a n tc e l l so u l n o w e d ht h cc 够eo fa d d i i l g i n l l i b i t o r s ，也es i t u a _ d o ni sm 债眦l 龇u p t a k em t eo fk + i sl o w e rt l l a n 砒h o u t i n l l i b i t o r s b u tw 砒li i l c r e 粥i n gt e l l l p e r a t l l r e ，m eu p t a k ef a t eo f 砭+ s h o w e da nu p w a r d t r e n d 0 v e 朔l l ，w h e 吐l e ro rn o t t oa d d i n gi l l l l i b i t o s ，t h eu p t a k cm t eo fx i a l l f b n g1w e 船 h i g h e r 也姐x i y l l3 6 d i 虢r e n ts p e c i e ss h o w c dd i 鼢e n tb e h a v i o r 肋d c rd i 鼢e n tp h n er e 姒t s s h o 、v e d l a t t l l e h i 曲村k + u p t a k er a t e w a s i n p h 7 5 ，m e l o w u p t a k er a 把w a s i i l p h 4 5 w h e ni 1 1 h i b i t o r sw e r ea d d e d ，血eu p t a k er a t co fk | + w 髂a tt h es 咖e 订e i l d 嬲 谢t h o u t 廿1 ei n l l i b i t o r s b u t 也eh i g l l e ru p t 止er a t eo f x i 彻f e g1w 踮i np h 6 5 ，a f i e r a d d i g 也e i n l l i b i t o r s ，t h e m a x 妇哪u p t a k e 蛸t ec c u r r 嘲m p h 7 5 i i l p h 8 5a ta i o w r a _ t eo fa _ b s o r p t i o n 7 hp 1 4 5 ，p h 5 5 ，t l ：i ca b s o 单t i o nr a t eo fp o t a s s i u m0 nt w os p e c i e so fc o m r c i 如c e dm eh y d r o g e ni o nc o n c e n t r a t i o no f 血es 0 1 u t i o n ，h 1p h 6 5 ，p h 7 5a n dp h 8 5 ， t h es o l u t i o d hv a l u ei sl o w c r k e yw o r d s ：m a i z e ；也eu p t a k eo fk 十；n _ s d e c t i v ec a t i o l l sc h 蛐e l s 吖s c c s ) ； i i l h i b i t o r s ：e n 、，i r o m n e m a lc o n d i t i o n s 6 扬州大学硕士学位论文 文献综述 1 钾离子通道研究现状 植物根系对钾的吸收牵涉到两类系统，即高亲和性吸收系统和低亲和性吸收 系统。高亲和性吸收系统被认为是植物在低钾浓度下的主要吸收途径，而低亲和 性吸收系统则是植物在高钾浓度下的主要吸收途径。低亲和性吸收系统主要以离 子通道为主“1 。所以，钾离子通道是植物吸收钾离子的重要途径之一。目前已有 的研究结果表明，钾离子通道在植物体内的信号传递、渗透调节和细胞运动等过 程中都可能扮演重要的角色。随着植物中第一个钾离子通道基因的分离克隆成功， 进一步促进了钾离子通道研究工作的深人，加深了对它的认识。 1 1 钾离子通道的生理生化研究 离子通道一般认为是细胞膜中由大分子组成的孔道，可被化学或电学等方式 激活，从而控制离子通过细胞膜的顺势流动。它属于膜蛋白分类中的b 型蛋白， 通常由几个跨膜的大亲水区构成。离子通道在质膜等膜上的作用主要是调节离子 在膜两侧的分布，为离子的跨膜运转的主要途径。 植物中存在钾离子通道，这是6 0 年代以来植物营养学界的共识。而植物中的 钾离子通道则是由s c h r o e d e r 等最早于8 0 年代报道的“1 。他们利用膜片钳技术。 首先在蚕豆( 髓如廊妇) 的保卫细胞中检测出了k + 通道的存在。后来，陆续在其 它作物及细胞中发现了多种类型的钾离子通道。吲。k + 离子通道根据其影响开启的 因予可分为三类：一是电压依赖型的：二是共价结合激活的：三是磷酸化作用激活 的，如c a 】谮依赖的蛋白酶激活的c 通道。k + 通道根据其对离子的通透性则又 可分为内流型和外流型两类。 与其它离子通道一样，钾离子通道同样具有离子通道的一般特性，如转运被 动性、电位依赖性、离子选择性、转运高效性、吸收动力学饱和性等。c 通道的 饱和浓度约为o 3 m o 班，其转运速率可高达o 5 m o 儿。 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 1 1 1 影响r 通道开启的因子 1 1 1 1 电位 从植物中发现的c 通道几乎全是电压依赖型的。如保卫细胞中的k + 外流通 道，在膜电位去极化至大于一4 0 r n v 时被激活，产生k + 外流。据s c h r o e d e r 等2 】 推测，每个保卫细胞原生质膜上有近1 0 3 个外流通道。当膜电位过极化到低于一 1 0 0 m v 时，内流型k + 通道被打开。 1 1 1 2 通道抑制剂 氯化四乙胺( 1 e a + ) 和b a 2 + 等被认为是k 十通道的专一性抑制剂。s c h a c h l l i l a i l 等哪报道，表达了k a t1 的爪蟾卵母细胞( 以下简称卵母细胞) ，其表达的内流型 通道在一1 3 0 m v 的膜电位时，1 0 m m o l 几t e a 或b a 2 + 分别抑制了k + 内流的8 1 和 7 0 左右。后来的研究发现，1 r 衄。儿的t e a 比1 0 m m o i l 的t e a 对钾离子的抑 制效果更好。 图l内向整流型钾离子通道a k t l 的结构模型 f i g u r e 1s t r u c t u r eo ft h ei n w a r dr e c t i 脚gk + c h a n n e la k t l t h e r ea r es i ) 【 廿a n s m e m b r a n es p a n s ，s1 t l l r o u 曲s 6 ，w i mam e m b r a n e m n l s i v el o o pb e 伽e e ns 5a n d s 6 啦sl o o pm a k e su pt h ep o r ed o m a i n( p d o m a i n )o f 也ec h a m e l t w o h e l i x b r e a k i n gp r o l i er e s i d u e sa te a c he n do fa2 0r e s i d u e ss p a i lf o r c et h ei o o pb a c k i r l t ot h em e n l b r a n e t h ef i l n c t i o n a lc h a n n e l 、) l ，o r k sa sat e t r 锄e lw i t ht 1 1 ep - d o m 血so f e a c hs u b u m ti n t e r a c t i l 唱t of o 皿ai m r r o wc o n s t r i c t i o nt 1 1 a tc o n t a i n st l l ek + b 抽d i n ga i l d r e c o g n i t i o ns i t e 8 扬州大学硕士学位论文 图1 内向整流型钾离子通道触玎1 的结构模型。有6 个跨膜跨度，s 1 s 6 ，在s 1 到s 6 之间有个膜侵入回路。这个回路构成了通道的孔隙域( p 域) 。每个2 0 残 基跨度的末尾2 螺旋分裂的脯氨酸残基迫该闭环进入细胞膜。功能通道作为一个 四聚体。与p 域的每个亚基相互作用，形成一个含有钾离子限制和识别域的狭窄 的收缩区) 。 c o l o m b o 和c e r 咖”1 报道，l o 咖o l 舡e a 阻碍拟南芥( j 4 渤池哪妇t h 口砌阳) 中的去极化k + 通道。m a c l 【i i l n o n 和y 甜l e n 。1 利用突变体技术研究了认在动物细 胞的s h a k e r 类k + 通道中的作用位点，结果表明，t e a 敏感部位在s 5 一s 6 之间的 几个主要氨基酸上，即4 3 l 和“9 位点上的天冬氨酸和苏氨酸，尤其是4 4 9 位点 上的氨基酸。如苏氨酸换成酪氨酸，则对t e a 的敏感性增加5 0 倍。a n d e r s o n 等 嘲报道，l 眦衄类囊体中的k + 通道可被1 e a 完全阻塞，t e a 还部分阻抑0 2 的释 放( 约2 5 ) 。用葡糖酸钾培养的类囊体，其氧释放对t e a 的敏感性明显增加， 但在m g c l 2 介质中培养则有相反效果。在k + 载体撷氨霉素( 或解偶联剂) 存在情况 下，r n a 对氧的释放没有影响“”。 1 1 1 3 第二信使c a m p 和c a 2 + l e 晰s 和s p a l d i n g “报道，加人蚕豆叶肉细胞胞液中的c _ 心口，可促使电压依 赖型k + 外流通道激活，其类似物8 b r o m v c a m p ，n 6 ，2 - o - d i b 哪l c 怂伫具有同 样作用，但a mc g m p ，m o 没有表现出同样效果。w u 和a s s l n 锄“2 3 认为保卫 细胞中内流k + 通道的开启需要a r p ，即a r p 促使c 的内流，但g t 只a d p 等对此 无反应。 外源c a 2 + 浓度在2 0 衄1 0 l ，l 以上时，淡水绿藻中旋板藻( 1 m b xl b7 5 8 m o u g e o t i as p ) 叶绿体质膜上的c a 2 + 激活的钾离子通道被激活。当有c a 2 + 释放抑制 剂8 一( d i e m y l 鼬i n o ) - 0 c t ) r l 一3 ，4 ，5 - 倒瑚e 伍o x y b e n z o a 钯h y d r o c h l 嘶d e ，t m b 8 ) 存在时，红光照射不能激活钾离子通道“。保卫细胞质膜中的内流k 通道可被胞 液内c 矛+ 的增加而抑制“，3 ( i o s i t o ll ，4 ，5 靠i 】p h o s p h a t e ) 是一种导致细胞钙库 内c a 2 + 释放的触发剂，可以可逆抑制k + 内流通道“5 “。 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 9 1 1 1 4 植物激素 通常a b a 诱导保卫细胞气孔的关闭。k m l i r i c h l i e h 和m a c r d b b i e “”的研究 表明，a b a 可诱导细胞间的c a 2 + 外流，从而使内流型k + 通道受抑制。a b a 能诱 导保卫细胞液泡中的c a 2 + 增加，促使阴离子通道开放，使保卫细胞细胞液碱化， 产生持续的去极化，从而导致c a 2 + 激活的k + 外流通道开放。从已有的结果来 看，a b a 对钾离子通道的作用是通过c a 2 + 进行的。 l 。1 1 。5 光和温度 l e w 等“”报道，以红光照射时。淡水绿藻旋板藻的叶绿体细胞中c a 2 + 激活的 k + 通道能被激活，但用远红光立即照射，激活作用即被抵消：而单独以远红光照 射时无任何效应。蓝光能诱导拟南芥白化苗细胞质膜的去极化，导致k + 的外流。 i l a i l 等人嘶1 用蚕豆保卫细胞原生质膜进行温度对膜上钾离子通道开启的影响 加以研究。结果表明，去极化激活的钾离子通道( 外流) 和过极化激活的钾离子通 道( 内流) 在温度从1 3 增加到2 0 时，其电导率皆明显增加：内流钾离子通道继 续随温度升高而增加，直至2 8 时饱和，外流钾离子通道的电导率则下降。平均 有效内流钾离子通道数不受温度影响，而外流钾离子通道则明显受温度影响。外 流钾离子通道在1 3 2 0 时显著增加，但在大于2 0 时则急剧下降。a 1 1 等人认 为，这与高温胁迫下供水良好的植物叶子打开气孔靠蒸腾降温是一致的。 1 1 1 6 其它物质 ( 越s m a n 和s c h r o e d e r i 观察到，a 1 3 + 阻塞小麦根毛细胞中的内流k + 通道， 其半抑制剂量约为8 m o 帆。目前认为，a 1 3 + 降低植物对k + 的吸收多少与其对k + 通道的阻塞有关。 蛋白质磷酸化酶1 和2 a 的抑制剂( o k a d a i ca c i d 和c a l y c m i i l a ) 在姗0 1 ，l 级 浓度下便明显抑制蚕豆保卫细胞中的内流钾离子通道，但不影响外流钾离子通道。 叶肉细胞中的外流钾离子通道则受这两种抑制剂抑制。”。 1 2 钾离子通道在植物体内的作用 有关钾离子通道在植物体内的作用研究并不多。从目前的结果来看，认为主 1 0 扬州大学硕士学位论文 要是与k + 吸收和细胞中的信号传递( 尤其是保卫细胞) 有关。小麦根细胞中的超极 化激活的选择性内流钾离子通道的表观平衡常数k m 值为8 8 n m i o 儿，与通常的 低亲和吸收系统k m 值相似。”豇玎l 和川k t l 基因导人卵母细胞的结果表明，它 可能是植物吸收钾的主要途径之一。”。a k t l 在酵母缺钾突变体中表现出即使钾 浓度低于i m m 0 1 l 也有钾的吸收累积作用o 。一些研究结果显示，缺钾胁迫能导 致细胞膜上蛋白质的质和量的变化，这些变化与钾的高亲和吸收系统有关。但是， 在5 n l l o l ，lk + 介质中生长的导人a i ( t 1 的拟南芥转基因植株，移入缺钾的介质中 培养，其组织中的钾离子浓度虽然明显降低，但其j 址汀1 的转录水平不受影响， 也就是缺钾胁迫诱导的质膜上蛋白质的变化与越汀1 似乎没有关系。1 。所以，对 于砭a t l 和a k t l 基因在植株体内的表达是否能介导对钾的高亲和性吸收这一问 题，目前并无明确的答案。 保卫细胞中气孔的开闭与其液泡中的钾离子浓度有密切关系。保卫细胞液泡 膜上的细胞质c a 2 + 激活的选择性k + 通道是导致气孔关闭的钾离子外流的主要通 道，而阴离子通道则是维持其膜电位差的主要途径乜订。c o t e “认为，光信号通过 k + 通道传递至细胞从而控制叶片的运动。 目前已分离出的多种钾离子通道基因以及盯l 和a k t l 的特异表达部位等 结果表明，植物钾离子通道基因很可能与动物s h a k e r 族基因一样，是一个多基因 家族，不同的基因控制不同的生理活动。这一问题有赖于进一步研究。 1 3 钾离子通道的分子生物学研究 1 3 1 钾离子通道基因 植物的钾离子通道基因首先由s e n t e n a 。等和a n d e i s o 等叫分别利用酵母的 吸钾缺陷性突变体，通过互补原理从拟南芥c r n a 文库中分离得到。这标志着植 物钾离子通道的研究从此步入了分子生物学研究的新阶段。k a t l 基因编码的多 链由6 7 7 个氨基酸组成，h 缸约为7 8 0 0 0 ；而a k t l 刚有8 5 6 个氨基酸，m r 约为 9 70 0 0 。两个基因与动物中的s h a k e r 族基因非常相似，其氨基酸序列也有6 个跨 膜通道区( s 1 s 6 ) 。 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 l l j 乙町l 在卵母细胞和酵母中的表达结果表明，它是电压激活的内流型k + 通道 徊。、，b r y 等油册利用注入不同量k a t l 的c r n a 控制k a ：r 1 在卵母细胞中的表达， 结果表明记录到的钾离子内流量随注入量增加而增加。外源c s 十阻塞钾离子内流 通道，阻塞是电压依赖型的，但不影响钾离子的外流通道。其抑制常数随着注入 的鼬虹l c r n a 量由0 5 n g 增加到2 8 n g ，增加近7 倍，表现出其阻塞效应与k a l 1 在卵母中的表达量有密切关系。t e a 对钾离子内外流通道同样起作用，而且基本 上不是电压依赖型的啪1 。鼬盯1 在卵母细胞中的表达呈现出对l i + 和n a + 的很强 的不通透性( 比k + 低5 0 0 一8 0 0 倍) ，但对r b 十的选择性较差。对离子的选择性与 勋玎1 的表达水平没有关系。表达在卵母细胞中的豇玎l ，其记录的钾离子流特 征依试验的外源钾离子浓度而有变化，当外界钾离子浓度近于零时，钾离子外流。 k a t l 对k + 的表观亲和常数在p h 7 4 时约为1 5 3 0 1 1 1 m 0 1 几。 ，舢汀l 在酵母和昆虫杆状病毒细胞( b a c u l o v i n l s ) 8 f 9 中的表达表明，它也是 一个电压依赖型的内流钾离子通道眦1 ，主要功能与k a t l 基本相似，对钾有极高 的选择性，其选择性依次为k 十 r b + ) n a + l i + 。c s + 的抑制也是电压依赖型的。其 r 氍，r r b 通透比是k a t l 的1 0 倍，即a k t l 对k + 的选择性比k a t l 更强“”。舢汀1 不能在卵母细胞中表达的原因并不清楚。从其与b 虹l 的结构差异来看。锚蛋白 的有无可能与其在卵母细胞中能否表达有关。因为已知锚蛋白是一类与蛋白质之 间相互作用有关的蛋白。另外，与a k t l 相近的a k t 2 和m 汀3 可能是另了解 此原因的极好工具。即看a k t 2 和a k t 3 是否能在卵母细胞中表达，有无差异等。 咖a r d 等“”认为a r p 对a k t l 在昆虫杆状病毒细胞s f 9 中的表达是必需的， 但对c g m p 敏感，c g 】佃对通道的影响可能与基因中的环核营酸结合位点有关。 但有待证实。人们已经利用鼬玎1 和a k t l 作探针，从拟南芥中又分离出几种新 的c d n a ，即a k t 2 ，a k t 3 ，a k t 4 和k a t 2 等“2 ”1 。在卵母细胞中的表达表明它 们都是电压激活的整流k + 通道。a k t 3 可能是a k 髓的一部分( 缺失头1 5 个密码 子) 。m u l l c r - r o b e r 等“”利用k a t l 和。a k t l 作为探针，从马铃薯中也分离出了 一类内整流型钾离子通道基因k s t l 和s k t l ( 分别与k a t l 和a k t l 相对应) 。 从哺乳动物大脑细胞质膜上分离出的第一个k + 通道基因是由4 个a 一亚基 1 2 扬州大学硕士学位论文 和1 个p 亚基组成。a k t l 和k a t l 属于旷亚基类，而p 一亚基则认为与旷亚基 中的孔径形成有关。t a n g 等“8 报道已从拟南芥中成功她克隆出一种新的 c d n a ( k a b l ，为3 80 0 0 ) ，它含有3 2 8 个氨基酸，是属于b 一亚基类的。 1 3 2k a t i 和a k t l 在植物中的表达 s c h a c h 缸n a n 等4 1 发现，k a t l 在卵母细胞中的表达体现出高亲和性特性。 n a l ( 锄m 等“利用g u s 报告基因和组织化学定位技术研究k a t l 在植株体内的 表达，结果表明，k a t l 在拟南芥植株中的主要表达部位是保卫细胞，根细胞中 可能也有少量表达。原位杂交试验表明k s t l 基因的表达也主要在保卫细胞中“”。 与k a t l 基因相反，b a s s e t 等矧和l a g a r d e 等m 报道，脚汀i 基因在拟南芥中的表 达部位主要集中在成熟根的周围细胞中，而叶组织中则很少。利用油菜根系的定 位表达。研究证实a k t l 基因的表达集中在根的细胞质膜上。对a k t 2 的研究表 明它可能主要表达在茎中“”。结果表明钾离子通道基因这一家族在植物的不同部 位有不同的通道基因控制其作用。如k a t l 很可能与植物对钾的吸收有关，而 a k t l 则可能与保卫细胞中控制气孔开闭的信号传递有关。越汀2 则可能与钾的 转运有关。 施卫明等“”利用根瘤农杆菌已成功地把k a t l 和a k t l 导入拟南芥和野生型 烟草，并获得了转基因植株及其纯合株系。 2 植物对钾离子的吸收 2 1 植物吸收钾离子的机制 钾离子的跨细胞膜转移过程主要涉及位于细胞质膜上的两类转运蛋白系统： 由钾载体蛋白( c a r r i e r p m t i e n ) 组成的高亲和转运系统( 1 1 i 曲一幽面够k + 胁s p o n e r ) 和由钾离子通道蛋白( c h 籼e lp r o t e i n ) 组成的低亲和转运系统( 1 0 w _ a f f _ 血t yk + 锄s p o n e r ) 口”3 1 。就植物吸钾的两种方式( 主动吸收和被动吸收) 而言，通道蛋 白允许离子通过其所形成的水通道作被动运输，而载体蛋白既可与特定的离子结 合，顺电化学梯度进行被动运输，也可以逆其电化学梯度作主动运输。就转运效 率看，载体蛋白转运需要通过蛋白的构象改变而实现，且每次循环只能转运一个 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 或几个离子，故转运效率低，而通道蛋白的转运速率主要受扩散条件的限制，其 转运速率比载体蛋白高近千倍3 4 j 。 植物对k + 的吸收就目前研究现状来说主要有两种机制：机制i ，通过由一个 或多个高亲和力的钾离子转运子进行的主动运输，即高亲和吸收机制；机制i i ， 通过启动低亲和力的钾离子内流通道或非选择性的阳离子通道而进行的被动运 输，即低亲和吸收机制阱】。 当外部溶液钾离子浓度小于o 2 i 脚o l 几时，作物吸钾主要以机制i 为主，a r p 驱动的氢离子泵，将氢离子从膜内部表面泵入膜外部表面，产生一个p h 梯度和 电位势，于是钾离子就沿着这个梯度通过选择性载体向膜内转运。该过程表明细 胞膜具有位置接受功能( p h 和离子浓度) 和翻译功能。k u r d j 弛和g u e n ( 1 9 8 9 ) 口6 1 提出，在质膜和液泡膜上存在一个专门调节p h 的质子泵，这种设想已得到广 泛认同。质膜结合的 i + a t p 酶在调节细胞质p h 及驱动阴阳离子的吸收起着十分 重要的作用。因此它常被称为“主体酶”【翊。根毛区质膜一a r p 酶的活性特 别高，它消耗细胞a t p 的2 5 5 0 。因此，根中碳水化合物水平较低时，不仅会 降低旷进入外部介质，而且会降低细胞质的p h 值。质膜矿_ a t p 酶可由单价阳 离子激活，一般k + 能力大于n a + 。而对阴离子不敏感。对k + 来说，由于外部的 k + 较低而内部的k + 较高( 约8 0 m m o 】i ，) ，所以k + 吸收载体需要逆电化学势梯度 运行。无论是k + 旷递向运转( a 嘶_ p o r t ) 还是k + - 一协同运转( c o p o r t ) 都需要 能量【3 钔。 外部k + 浓度大于1 n 瑚o l l 时，钾离子通道开启，这些通道可允许离子迅速的 过膜运动，速度可达1 0 6 1 0 8 离子秒。这比离子的载体运转要快3 5 个数量级口9 1 。 与其它离子通道一样，钾离子通道同样具有离子通道的一般特性，如转运被动性、 电极依赖性、离子选择性、转运高效性、吸收动力学饱和性等。k + 通道的饱和浓 度约为0 3 m o n ，其转运速率可高达o 5 m 0 1 l ( 柏】。因此，当外界k + 浓度低时，主 要是高亲和系统的k + 载体蛋自起作用，丽外界c 浓度高时，则是低亲和系统的 通道蛋白起主要作用。 对载体蛋白的研究发现，他包括胍t 和k u p m a k 瓜t 两大转运家族，每个 1 4 扬州大学硕士学位论文 家族中又包括若干个转运体成员3 2 ，4 1 删。人们已在不同植物上发现了多个转运体 基因，并对其中的一些基因进行了克隆h 印7 】。生理实验结果显示，有载体蛋白所 主导的k + 的高亲和吸收服从简单的m i d m l i s m e i l t e l l 动力学方程，具有特异的选 择性。在这个机制作用下，其它阳离子( n 矿、l r 、c a 2 + 、m 矿+ ) 难以有效地和 k + 进行竞争。 对通道蛋白的类型和分子生物学结构的研究发现，生物界存在多种类型的钾 离子通道【4 8 l 。人们按照影响其开启的因子将它们分为电压依赖型、共价结合激活 型和磷酸化作用激活型，或根据对离子的通透性分为内整流型和外整流型，或基 于通道蛋白的二级结构将它们挣为s h a k e r 、m k 、y w i i ( 和t o k 等四种类型f 4 9 】， 并已对相关的通道基因进行了研究【5 m 甜。目前在植物中主要鉴定出的有内向整流 钾通道( i n 啪帕一r e c t i 助n gk + c l l a n n d ：k + i n ) 和外向整流钾通道( o 时啪m - r e c t i 母i 培 k + c h a l l n c l ：k + m n ) 。其中内向整流钾离子通道是对钾离子浓度敏感的、依赖电压的、 对钾离子亲和力低的通道，它也允许铵离子的通过，但阻止钠离子的通过【5 3 1 。内 向整流钾离子通道在细胞膜超极化( t l y p e r p o l a r i z a t i o ) 时的电压下被激活打开， 即在跨膜电势很低时( 即膜两边电势差大) 被打开，引起胞外的钾离子流入胞内 【硎；外向整流钾离子通道在细胞膜去极化( d e 口o l 撕z a t i o n ) 的条件下被激活打开， 此时多大跨膜电势比较高( 即膜两边电势差小) ，导致钾离子由胞内排到胞外，发 生钾离子的外流【5 5 】。 2 2 钾离子吸收动力学 植物体存在高亲和与低亲和两种钾吸收机制已广泛被接受应用。这种两段模 式容易使人误解为低浓度下只有高亲和系统运作而高浓度时只有低亲和系统运 作；第二个方面是吸收动力学的饱和与线性组分之异议；第三个方面是复杂的吸 收动力学是由一单一运输体还是多个运输体导致或者两者均有表现。在低亲和力 a t l a k t l 和高亲和力汀1 的k 十运输基因尚未克隆和定性之前，人们就普遍 认为钾离子复杂的吸收动力学是由于植物中存在不同的钾离子转运体。同时也有 人认为复杂的钾离子吸收动力学也可能是改变一个单一的运输体的性质引起的 邓桂芳环境因素对玉米根系钾离子跨膜转移的影响 【铜。钾离子运输基因的分子研究很难清楚地区分多个转运体与单个转运体吸收动 力学。c h i l c o t t 等( 1 9 9 5 ) 详细地分析了非洲爪蟾蛙卵母细胞中k a t l 调节的钾离 子运输，发现通过一单个运输蛋白能够产生复杂的运输动力学。此动力学过程可 分解为一个可饱和的组分和一个线性一级组分。表达k a t l 的酵母突变体c y l 6 2 的单向k 十( 8 6 r b + ) 内流示踪也产生了复杂的浓度依赖性钾离子运输动力学。酵母中 k a t l 的k + 内流动力学在高的k + 浓度时并不很好地与m i c h a e l i c h m e i n e n 动力学 参数相吻合，k + 浓度超过1 衄。儿时内流动力学也有线性组分。在根的研究中， 确切的生理学证据表明，可饱和组分和线性组分是由于不同的转运体造成的。然 而，h l i i l 删a d ag a r r i d 0 ( 1 9 9 8 ) 5 7 】等人所做的实验并没有观察到任何线性组分的 存在。两个钾离子运输系统均可达到饱和，即两个系统均服从m i c h a e l i c 卜m e n t 饱和动力学。同时，试验还丰富了经典的双系统论。有人研究了从微摩尔到毫摩 尔浓度外界钾离子情况下向日葵根钾离子吸收时间的历程后发现：当氢离子外排 系统所创造的驱动力( p h i ，o ) 还不足以允许系统i 和系统正常运作时，没有 钾离子的吸收；此后，当p h i ，o 增加到一定值，高亲和力系统i 先开始运作，并 且不依赖于外界钾离子浓度的大小；当系统i 达到最大速率进入饱和吸收并且外 界钾离子浓度足够满足( 一般认为在1 n l l n o 此以上) 系统i i 的运作时，系统才 开始，而且外界钾离子浓度越高开始的越早。但连续的氢离子外流造成p h 下降 且p h i ，o 增加，系统i i 也能在低于1 m m o 班，时吸收钾离子。因此，在任何外界 钾离子浓度下，两个系统要开始工作必须要先由氢离子外排系统建立的p h i ，o 达到一定值。当外界钾离子浓度和p h i ，o 能够激励系统运作时，吸收是双相可 饱和模式。 上述具有低亲和系统特点的离子通道和高亲和钾转运体都已陆续在根表皮层 细胞中发现芦”9 】。但是随着研究的不断深入，发现有许多钾离子转运系统可能参 与根部钾离子吸收。在拟南芥中有选择性离子通道4 厢1 和彳t 碰护叩“，没有选 择性阳离子通划5 9 】，还有高亲和钾转运体k i 压 4 也可能都在根外围细胞的原生质 膜中存在。另外，四个其他k i p ，i a k 【6 2 】转运体可能与根部钾吸收有关。而且， 选择已经清楚表明离子通道同时有高低亲和吸收钾离子的功能，已经在根部一灯l 1 6 扬州大学硕士学位论文 和花粉的s p 【6 3 1 发现。异源系统分析表明，钾转运体也不是都会在同样的钾离 子浓度范围内起主导作用。一些k 【脯啊a k 转运体有高亲和钾转运活性，而另外 ( h a k 2 ) 一些会介导低亲和运输嗍。总之，在植物细胞可能有各种各样的转运 体和离子通道与钾吸收有关，这两种吸收系统之间在转运钾离子亲和性上的差别 可能没有想象中那么大。 3 钾和钙之间的相互作用 钾和钙两种阳离子在吸收上的竞争作用是明显的。用硝酸钙对花生进行的试 验表明，高浓度的钙可抑制钾的吸收，而低浓度的钙可促进钾素吸收 6 5 1 。二价离 子如钙离子促进一价离子如钾离子吸收的现象称之为出效应。l a n c l l l i 和 e p s t e i n ( 1 9 7 0 ) 脚】认为，这是因为钙离子促进钾离子的净吸收。q l l i n t e r o 和 h a r l s o n ( 1 9 8 4 ) 6 7 】的实验表明，钙离子促进钾离子的吸收与氢离子分泌的增加有关， 而氢离子分泌是钾离子吸收的动力。栾升和倪晋山( 1 9 8 6 ) 【6 8 l 应用示踪动力学的 原理研究分析了钙离子对钾离子内流与外流同