拟南芥KEA1与KEA2对钾离子的响应及在外源糖应答中的分子机理研究

Potassium(K+) is one of the important nutritional elements, and it is essential to maintain osmotic balance of chloroplast and conduct photosynthesis; K+ starvation leads to impaired nitrogen and sugar balance due to inhibition of protein synthesis and photosynthesis. Sugar is the end product of photosynthesis, and it plays an important role in aspects of plant growth and development and resistance to adversity. K+/H+ antiporters KEA1 and KEA2 have critical function in struture of chloroplast, photosynthesis, and plant growth and development in Arabidopsis. Therefore, AtKEA1 and AtKEA2 may indirectly participate in sugar metabolism. Currently, Only few papers on biological functions of plant KEA gene families has been published, and there is very few research on the molecular mechanisms of plant K+ transporter and sugar signaling. In this study, we plan to identify biological functions and molecular mechanism of response to different levels of potassium and exogenous sugars of KEA1 and KEA2, and underlying cross-talk of plant K+ transporter and sugar signaling using biochemistry, molecular genetic and cell biological methods and techniques. The result provide new reference in plant response to abiotic stress and to improve the efficiency of photosynthesis and potassium utilization in plants，and provide a new idea in crop production.

钾离子作为植物重要的营养元素，在维持叶绿体渗透平衡以及光合作用过程中是必需的；钾离子的缺乏会抑制光合作用与蛋白质合成，从而破坏氮和糖的平衡。而光合作用的产物糖对植物的生长发育以及抗逆境具有重要的作用。拟南芥K+/H+反向转运体KEA1与KEA2能够影响叶绿体结构、光合作用和生长发育，因此，AtKEA1与AtKEA2可能间接参与糖的代谢。目前，对植物KEA基因家族的生物功能研究非常有限，对植物钾离子转运体与糖作用的分子机理也鲜有报道。本研究将采用生物化学，分子生物学和细胞生物学等技术方法，分析在不同钾离子浓度条件下AtKEA1与AtKEA2的功能，及其在外源糖应答中分子机制，研究植物离子转运体与糖信号网的交联，为提高植物光合作用与钾离子利用效率，以及抵御缺钾等逆境的作用机制提供新的参考依据。

拟南芥K+/H+反向转运体KEA1与KEA2定位于叶绿体内膜，在质体发育、离子稳态和植物生长过程中发挥重要作用，然而目前关于KEA1与KEA2的生物学功能研究还非常有限。本项目研究发现拟南芥KEA1和KEA2通过调节光合作用以及ABA信号途径介导幼苗根的生长，并且外源蔗糖影响KEA1和KEA2参与调节的拟南芥幼苗根的生长。表型分析显示在没有蔗糖的培养基中，kea1kea2双突变体的根长显著短于野生型Col-0，进一步观察发现，kea1kea2双突变体的根尖分生组织区短于野生型，并且kea1kea2双突变体的叶片分布较多的O2·-。然而，当外源添加3%蔗糖后，野生型与kea1kea2双突变体的根长无显著差异。与此同时，液相色谱检测结果显示在无蔗糖的培养基中，kea1kea2双突变体中ABA的含量远低于野生型Col-0。转录组测序分析显示，许多参与蔗糖信号、ABA信号和根生长发育的关键基因在kea1kea2双突变体中的表达受到抑制。综上所述，KEA1和KEA2的功能缺乏不仅影响光合作用，而且可能通过ABA依赖的方式参与幼苗根的生长。这项研究补充了KEA1和KEA2基因新的生物学功能，为提高植物光合作用、抵御逆境以及揭示植物生长发育规律奠定了新的理论基础，为农作物生产提供了新的思路。

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