全 文 ：园艺学报，2016，43 (6)：1021–1032.
Acta Horticulturae Sinica
doi：10.16420/j.issn.0513-353x.2015-0944；http：//www. ahs. ac. cn 1021
收稿日期：2016–02–24；修回日期：2016–05–19
基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-28）；国家科技支撑计划项目（2014BAD10B02）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：yangjunzou@126.com）
苹果 K+转运蛋白基因家族鉴定及表达分析
杨 琳，董 玲，李明军，马锋旺，邹养军*
（西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）
摘 要：利用苹果基因组筛选 K+转运蛋白基因，分析其系统发育关系，通过 qRT-PCR 检测它们在平
邑甜茶各器官组织和不同发育阶段果实的表达特征。结果表明，在苹果中存在 65 个 K+转运蛋白基因，包
括 CHX 家族（33 个）、HAK 家族（24 个）、HKT 家族（1 个）和 KEA 家族（7 个），它们与拟南芥 K+
转运蛋白基因高度同源，其基因结构相对保守，并且不均匀地分布在 13 条染色体上。定量表达分析发现，
K+转运蛋白基因具有不同的表达模式，其中在根中高度表达的 32 个，在叶片中高度表达的 12 个，在茎
尖中高度表达的 11 个，在果实中高度表达的 19 个。研究结果为揭示苹果 K+转运蛋白基因的功能提供了
基础资料。
关键词：苹果；K+转运蛋白；基因家族；生物信息学；表达特性
中图分类号：S 661.1 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2016）06-1021-12

Identification and Expression Analysis of Potassium Transporter Gene
Family in Apple
YANG Lin，DONG Ling，LI Ming-jun，MA Feng-wang，and ZOU Yang-jun*
（College of Horticulture，Northwest A & F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
Abstract：In this study，the information that contained phylogenetic relationship and distribution of
apple potassium（K+）transporter genes was analyzed based on Malus genome database，and their
expression characteristics were explored by means of qRT-PCRs in apple. The results showed that 65 K+
transporter genes were identified，and they were divided into 4 families：CHX family，HAK family，HKT
family and KEA family，including 33，24，1 and 7 members，respectively. These genes are highly
homologous with Arabidopsis thaliana K+ transporter genes. Chromosomal localization exhibited that
these K+ transporter genes were distributed in the thirteen of seventeen apple chromosomes unevenly.
Quantitative expression analysis showed that most of the K+ transporter genes had differential expression
patterns. The thirty-two genes had higher expression abundance in root while 12 genes in mature leaves，11
genes in shoot tips and 19 genes in fruit. The results lay a basis for revealing the function of K+ transporter
genes in apple.
Key words：Malus × domestica；potassium transporter；gene family；bioinformatic；expression
characteristic


Yang Lin，Dong Ling，Li Ming-jun，Ma Feng-wang，Zou Yang-jun.
Identification and expression analysis of potassium transporter gene family in apple.
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植物对 K 的吸收和运输主要通过 K+通道蛋白和 K+转运蛋白协助完成（Wang & Wu，2013）。有
研究显示，在外界低 K+浓度条件下植物获取 K+的方式主要依靠高亲和力 K+转运蛋白的介导完成（李
春俭，2008）。目前已分离鉴定了多个 K+转运蛋白基因，其分子与生理功能已被解析。在拟南芥中，
已鉴定的 K+转运蛋白基因主要分为四大家族：KT/HAK/KUP、Trk/HKT、KEA 及 CHX（Mäser et al.，
2001）。其中，KUP/HAK/KT 家族为 H+/K+共同转运体，在拟南芥基因组中至少有 13 个成员，主要
负责根部细胞对 K+的高亲和吸收（Mäser et al.，2001）；Trk/HKT 家族只有 1 个成员，其主要功能
是运输 K+和 Na+，参与调节拟南芥体内 K+/Na+的平衡以及韧皮部液汁中 Na+的再循环过程（Mäser et
al.，2001）；KEA 家族有 6 个成员，属于 K+/H+反向转运体（Fujisawa et al.，2007），可能在植物 K+
转运及 pH 调节等方面发挥重要作用；CHX 家族有 25 个成员，多数成员是 Na+/H+反向转运蛋白，
少数是 K+/H+反向转运蛋白（Lu et al.，2011），调节植物体内 K+和 pH 的平衡，并且在膜微囊运输、
渗透调节、花粉的生长发育中发挥作用（Sze et al.，2004；Chanroj et al.，2011；Lu et al.，2011）。
此外，K 与果实的发育与糖酸积累密切相关，K+转运蛋白家族可能在果实生长发育与糖酸调控方面
也起重要作用（唐忠厚 等，2010）。
目前在全基因组水平上关于 K+转运蛋白基因的研究较少，在玉米（Zhang et al.，2012）、葡萄
（宋志忠 等，2011）、大麦（Wang & Gassmann，1998）等植物中仅分离得到部分 K+转运蛋白基
因，但其在植物不同组织器官和果实中的表达特征的信息仍相对缺乏。近年来，苹果（Malus ×
domestica）基因组测序的完成（Velasco et al.，2010），为在全基因组水平上研究发掘苹果的重要功
能基因提供了基础数据。本研究中以苹果基因组数据为基础，对 K+转运蛋白全基因组进行鉴定和系
统表达分析，为苹果 K+转运蛋白基因的功能分析提供基础资料。
1 材料与方法
1.1 材料
以平邑甜茶[Malus hupehensis（Pamp）Rehd.]砧木实生苗为供试材料，2014 年 3 月中旬将经过
消毒和低温沙藏处理 3 个月的种子播入装有沙和森林土 1︰1（体积比）配比的营养钵（12 cm × 12 cm）
中，每钵播种 4 粒，共 100 钵。培养 2 个月，待幼苗长至 8 ~ 10 片真叶时，选取大小一致的幼苗移
至装有 5 L 改良的 1/2Hoagland 营养液的水培盆中，每盆 30 株，共 4 盆，预培养 14 d 后进行正式试
验。
水培试验在西北农林科技大学果树逆境生物学实验室水培室内进行。培养室内的昼/夜温度为
（23 ~ 25）℃/（15 ~ 18）℃，由日光灯提供光照，光强约为 450 μmol · m-2 · s-1。营养液每 3 d 更换
1 次。通气泵连接沙锤向水培液中通入空气，防止低氧胁迫的发生。通气泵间隔 1 h 通气 1 次，每
次持续时间为 30 min。水培处理 10 d 左右，当苹果根系生出白色细根且顶部生长点长出 3 片新叶时
采集根（发白侧根）、茎尖和叶片（采自植株中间位置）。于 2014 年 4 月采集 6 年生平邑甜茶的果实，
以全园 70%花瓣脱落时每株树外围阳面花瓣刚脱落的幼果记为花后 0 d，分别在花后 16、41、70、
94 和 128 d 采样。每样品设 3 个重复，样品采集后立即用液氮速冻并存于–80 ℃冰箱备用。
1.2 苹果 K+转运蛋白基因的筛选
从 TAIR 网站下载拟南芥 K+转运蛋白序列作为靶序列，与苹果的本地蛋白质数据库（http：//
genomics.research.iasma.it/local）进行比对，获得相似性高的候选序列。将候选序列提交到 ORF Finder
杨 琳，董 玲，李明军，马锋旺，邹养军.
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（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/orfig.cgi），去除没有完整 ORF 的基因，再分别提交到 Pfam
（http：//pfam.sanger.ac.uk/）、SMART（http：//smart.embl-heidelberg.de）和 CDD（http：//www.ncbi.nlm.
nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi）上，去除没有完整结构域的基因。然后提交到 TMHMM（http：//
www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM-2.0/）进行跨膜区数量的预测，去除与拟南芥 K+转运蛋白基因跨膜
区个数相差较大的基因。最后将序列提交到 PSORT（http：//www.psort.org/）进行亚细胞定位，去
除掉没有定位在细胞质膜的基因。通过筛选，获得 65 个待分析的苹果 K+转运蛋白基因（表 1）。
1.3 苹果 K+转运蛋白基因家族成员的分析
在 GDR（https：//www.rosaceae.org/）上获得基因的基本信息，利用 MapDraw 绘制 K+转运蛋白
基因家族成员的染色体定位示意图（刘仁虎和孟金陵，2003）。构建系统发育树使用 MEGA6.0（Tamura
et al.，2011），邻近结合法，bootstrap 值设置为 1 000。利用 Pfam 和 SMART 在线分析 K+转运蛋白
的保守结构域，运用 DOG2.0 软件绘制保守结构域示意图（Ren et al.，2009）。将数据提交到 GSDS
网站，分析苹果 K+转运蛋白基因的内含子和外显子，输入基因的编码序列和全基因序列。
1.4 K+转运蛋白基因定量表达分析
苹果各组织总 RNA 采用原平皓生物技术有限公司的“EASY spin 植物 RNA 快速提取试剂盒”
来提取。总 RNA 经 DNase 清除 DNA 后，按照 SYBR Prime Script RT-PCR KitⅡ（TaKaRa）试剂盒
进行反转录，合成的 cDNA 第 1 链用于实时荧光定量 PCR，分析 65 个 K+转运蛋白基因的表达情况，
使用 Cluster 3.0 软件绘制热图。实时荧光定量 PCR 使用 iQ5.0 instrument（Bio-Rad，USA）定量仪，
反应试剂为 SYBR Premix ExTaqTM（TaKaRa）。以 EF-1α 为内参基因，不同样品得到的数据经内参
基因均一化处理后，采用 2-∆∆CT方法计算待测基因表达相对量。使用引物设计软件 Primer Premier 5.0，
根据基因特性设计引物（表 1）。

表 1 苹果中 K+转运蛋白基因 qRT-PCR 引物
Table 1 Forward and reverse primers of K+ transporter genes for real-time PCR
基因名称 Gene name 正向序列 Forward sequence（5′–3′） 反向序列 Reverse sequence（5′–3′）
MdCHX1.1 5′TGATTTCACTCTCTCCCTCTCCA3′ 5′GCCTATGTCTGACTTGCCTATTTT3′
MdCHX1.2 5′AAAACCCCGAAGGCAAACC3′ 5′TCATAACCCATCCAGAAGAAAAA3′
MdCHX1.3 5′TGCCAACATCCTTCACACAA3′ 5′CCAGAAACCATCTCACGCTCA3′
MdCHX2 5′GGTCAACCCTCTATCCTCCAT3′ 5′ACCCAACACCAAACCAGCC3′
MdCHX3.1 5′GTCGTGGAAGAGGTGGTAAGAGA3′ 5′AAGAAGTCGGGAGTCCTGATG3′
MdCHX3.2 5′GGTAACAAGACAAAAAGTGCGT3′ 5′CAAGAACAAACAGGAAAATGCG3′
MdCHX3.3 5′TGGGTAACAAGACGAAAACTGC3′ 5′CACTGAGAAATCCACACACAAGAAC3′
MdCHX3.4 5′TCACAATAAGGCAAAGCAACAT3′ 5′CTCACCAAGAAAAGAACACACCA3′
MdCHX3.5 5′AAAGAAAAATCGGTGAAAGAGAGC3′ 5′GCACTGCCAACCCTAAAATC3′
MdCHX3.6 5′ACAGGTTTACACACTTACTATGGGC3′ 5′TCCACAAGAGCAGACCCAACT3′
MdCHX3.7 5′CCTCAGCCCTACACTCCTTG3′ 5′ACCTGTCCTTTTTATCATTCCCA3′
MdCHX3.8 5′TTTGGTTACTGTCTGTTTATGTTTCTA3′ 5′ACCGTCTCCAGGTCTTGTTC3′
MdCHX3.9 5′ACTCAAGCCACCCATCACCT3′ 5′CCCCACATCCATTTTCACACC3′
MdCHX3.10 5′ATCATCACTCAAGCCACCCAT3′ 5′GAAACATAAACAGACAGTAACCAAACA3′
MdCHX3.11 5′CCGTTCGTAATCTTTTCTCTCC3′ 5′ACACTCACCTTTGGTTTCTTGG3′
MdCHX3.12 5′TGCCCCACTTCTCTTTCAACG3′ 5′GCTCGGCTTCTTTCCCTTCTT3′
MdCHX3.13 5′CCTCGTCGTTGTCATCTCTCG3′ 5′TTCTCCCTTACTACCTTTGTTTTCC3′
MdCHX3.14 5′AGGAGGGTTATGTGGTTGCTAT3′ 5′AGAGGTGGTCCGTCTGGTATG3′
MdCHX4.1 5′TCGGTCGTGTAGTGTGGGTTA3′ 5′CGGGGTGACATTTTGTTGAT3′
MdCHX4.2 5′GTGCTCCTGGATTCTTCTTTTGC3′ 5′CTGACTGTTGTTCCTCTCCTCTTTT3′
MdCHX4.3 5′AGGGGCACAAGATGAAGACAG3′ 5′TACAAGAACACCCACGGAACA3′
MdCHX4.4 5′CTTTCTGGGCGTTCTTTTATTC3′ 5′AATGGACTGGTCTGTGGTTTGA3′
MdCHX4.5 5′CGATCTAAGCGTGCTTTAGTGC3′ 5′ATTCCACTGGTCAATGCGTGGC3′
MdCHX4.6 5′TCGGTGCTTGGAAAGAGTGAT3′ 5′ACGAGGAAGAGAAAGTAGAGGAGAC3′
Yang Lin，Dong Ling，Li Ming-jun，Ma Feng-wang，Zou Yang-jun.
Identification and expression analysis of potassium transporter gene family in apple.
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续表 1
基因名称 Gene name 正向序列 Forward sequence（5′–3′） 反向序列 Reverse sequence（5′–3′）
MdCHX4.7 5′TCGCCCTCCAAGTCTACCG3′ 5′TCCAAAACCCCCTCCACAA3′
MdCHX4.8 5′GTTCTCGCCCGCATTTTAG3′ 5′CTGATAGGAGGACCCAGATTGA3′
MdCHX4.9 5′AGAAGAGAGGAAGAGAAGGAAATGG3′ 5′CAGGTCCCCCCAAGAACAA3′
MdCHX4.10 5′CGCAGTGGCAGAAGAGC3′ 5′GGACAGGGAAAGCGGTGAT3′
MdCHX4.11 5′TTCTGATGAACACCAAGGGACT3′ 5′TGAATAACGCCATTAGGACGA3′
MdCHX4.12 5′CGAGTCATAGCCGAAGTCATTG3′ 5′TTTGCCACGGTGTCCAGAA3′
MdCHX4.13 5′GCAACATCTAATGGGGTCTTTCA3′ 5′ACAATCTCGGCAATCACACG3′
MdCHX4.14 5′GTAAAGGCTTGGTGGAACTCAT3′ 5′AGGCGTGGTGATAAATGTGGTA3′
MdCHX4.15 5′ATTGCTGTGATTCGTGAGATTG3′ 5′CCAAGACTGATGCTGGTGTAGG3′
MdHAK1.1 5′AAGGCTCTAAATCCACAATACATACTA3′ 5′GGCTAAGACAATGCCACCAAG3′
MdHAK1.2 5′TTCAGGAGGAACAAAAAAGACG3′ 5′GCTAAGACAATGCCACCAAGAGA3′
MdHAK1.3 5′GGCATTTCAGAGCATTGGC3′ 5′TCCATCGCCGTTATCGTTG3′
MdHAK1.4 5′AAGGCTCTAAATCCACAATACATACTA3′ 5′GGCTAAGACAATGCCACCAAG3′
MdHAK1.5 5′CAAGTGGAGATAGTGGTTTTTC3′ 5′TGAGGAGTGTGCTGGATGGT3′
MdHAK1.6 5′GAGGAGAAAGGAGGAGGACAGG3′ 5′TCAAACTCATCAGGCAAACCAT3′
MdHAK2.1 5′CGTCCCAGGAATAGGGCTTT3′ 5′CCAACAACACTTTGCTCACCG3′
MdHAK2.2 5′GGTGGTTATGGGGATTTGGC3′ 5′TTCCTCTGCTTAGGCGTTTTG3′
MdHAK2.3 5′CTTCATCGTGCTATGGGCTAAT3′ 5′CCCTGTCTTCTGGTTGGTTATTTG3′
MdHAK2.4 5′CTTCATCGTGCTATGGGCTAAT3′ 5′CCTGTCTTCTGGTTGGTTATTTG3′
MdHAK3.1 5′CAAGAAGAACGATAAGGAAGCG3′ 5′GAACACCACAAAACTGAAGGCA3′
MdHAK3.2 5′TCTTTGCTACTTTTCTGTGCGA3′ 5′ATCTGCTTCATCTGGGTTCTCC3′
MdHAK3.3 5′AAGAATGGTAGCGTTTGGGTT3′ 5′CAGAACAGGGGTGAAGGAGTG3′
MdHAK3.4 5′AAAGGAACGGGAGAGAGGGT3′ 5′GCTAAAAGAAGGCAAGGAAACAC3′
MdHAK3.5 5′ACGGGAGAGATGGTTGGACTT3′ 5′CAAGGAAACACGACTGTAGTAAACG3′
MdHAK4.1 5′AAGAACTCAATGCCCAAACTCC3′ 5′TGCTAAGGTCCCCATAAACAATAC3′
MdHAK4.2 5′ACGGGACTGTAAAGAAGGATGC3′ 5′AGATGAGAGTATGATGAAATGTAGGGA3′
MdHAK4.3 5′TTTCCCTTCTTGCTTCTGTTGT3′ 5′GTAGACCTGCCCGTGTATCTTATC3′
MdHAK4.4 5′AAGAGTCAAAATAGTCCATACATCATCC3′ 5′TGAAACCAATAGTAACAGCCAAACA3′
MdHAK4.5 5′TAGCCCAAAAAAACCCTCTCC3′ 5′ACCAACGCCACCACCATCC3′
MdHAK4.6 5′CCGAAATAGCAAGCACCTCA3′ 5′TTCTGGAACAACGAACTTCACTC3′
MdHAK4.7 5′AATCATTAGGTTGTTTTCCGAGAG3′ 5′CATTTCCCAGGTGTTTTGTGTCT3′
MdHAK4.8 5′CCCACCAGAGAAGGAAAAAAGT3′ 5′GCCAGACACCGCAGAAAAGA3′
MdHAK4.9 5′GCACCCACCAGAGAAGGAA3′ 5′CCAGACACCGCAGAAAAGAC3′
MdHKT1 5′GATGTTATTGGGTGGGGAGG3′ 5′ATTAGAGTCTGGGGGATGGTGT3′
MdKEA1.1 5′CTTGCTTGTTGCCTGGTGTAGT3′ 5′CAAAAAGGTTGCGAATGGGTT3′
MdKEA1.2 5′TTTTCGCTACTGTCCCCACC3′ 5′GGCTTGATTTTGCTCGTTCTCT3′
MdKEA1.3 5′GGGTGTTGCTGCGGTGGTT3′ 5′GCATTTTCTGGTTCATTTTTTCGT3′
MdKEA1.4 5′CAACTCTAAGCACCCCGT3′ 5′ATGGAGCCTAACACACTCACCT3′
MdKEA2.1 5′GTTTGTGGGCTGCCTGGTC3′ 5′TGCTCTCACCCCGCTCTTG3′
MdKEA2.2 5′GGCTCTGCTCAGGTTTTGG3′ 5′GTGCTCTCACCCCGCTCTT3′
MdKEA3 5′TTTTCCGTGCTTCCCCACAC3′ 5′GGCTTTGATTTTGCCTCCT3′

2 结果与分析
2.1 苹果 K+转运蛋白基因的鉴定
以拟南芥 K+转运蛋白基因成员为模板，在苹果基因组预测的编码 cDNA 中获得了 65 个定位于
细胞质膜，且与拟南芥 K+转运蛋白基因序列长度和跨膜结构相似的基因，将其编号为 1 ~ 65（表 2）。
这些基因所编码的氨基酸数量最多的为 MdCHX4.9（2 388 个），最少的为 MdCHX4.8（406 个）；
与拟南芥对应基因的同源性介于 31.09% ~ 81.69%；跨膜区个数不等，MdKEA2.1 最多（14 个），
MdHAK1.6 最少（5 个）。



杨 琳，董 玲，李明军，马锋旺，邹养军.
苹果 K+转运蛋白基因家族鉴定及表达分析.
园艺学报，2016，43 (6)：1021–1032. 1025

表 2 苹果中 K+转运蛋白基因序列信息
Table 2 Sequence information of K+ transporter genes in apple
拟南芥 Arabidopsis thaliana
编号
Number
基因名称
Name
基因 ID
Gene ID
位置
Distribution
氨基酸个数
Number of
amino acid
跨膜区个数
Number of
transmembrane
region
同源基因 ID
Match ID
描述
Description
相似度/%
Percent
identity
1 MdCHX1.1 MDP0000580715 Chr 2 800 10 AT3G52080.1 AtCHX28 53.39
2 MdCHX1.2 MDP0000239122 Chr 15 966 11 AT3G52080.1 AtCHX28 54.69
3 MdCHX1.3 MDP0000272569 Chr 7 1 444 12 AT3G52080.1 AtCHX28 54.71
4 MdCHX2 MDP0000278321 Chr 16 887 11 AT1G16380.1 AtCHX1 43.78
5 MdCHX3.1 MDP0000280043 Chr 1 753 10 AT2G13620.1 AtCHX15 38.04
6 MdCHX3.2 MDP0000137697 Chr 1 688 9 AT2G13620.1 AtCHX15 40.23
7 MdCHX3.3 MDP0000307940 Chr 4 819 11 AT2G13620.1 AtCHX15 35.90
8 MdCHX3.4 MDP0000453050 Chr 11 809 11 AT2G13620.1 AtCHX15 37.55
9 MdCHX3.5 MDP0000169704 Chr 8 681 9 AT2G13620.1 AtCHX15 36.49
10 MdCHX3.6 MDP0000547462 Chr 17 827 10 AT2G13620.1 AtCHX15 35.42
11 MdCHX3.7 MDP0000317225 Chr 3 868 11 AT2G13620.1 AtCHX3 36.75
12 MdCHX3.8 MDP0000313812 Chr 13 808 12 AT5G22900.1 AtCHX3 39.66
13 MdCHX3.9 MDP0000296902 Chr 13 1 002 12 AT5G22900.1 AtCHX3 38.96
14 MdCHX3.10 MDP0000194738 Chr 13 434 10 AT5G22900.1 AtCHX3 34.58
15 MdCHX3.11 MDP0000144728 Chr 3 789 11 AT5G58460.1 AtCHX25 42.01
16 MdCHX3.12 MDP0000243063 Chr 4 687 9 AT2G13620.1 AtCHX15 36.08
17 MdCHX3.13 MDP0000444438 Chr 1 809 10 AT2G13620.1 AtCHX15 33.04
18 MdCHX3.14 MDP0000236172 Chr 1 1 371 9 AT2G13620.1 AtCHX19 31.09
19 MdCHX4.1 MDP0000228539 Chr 0 762 8 AT2G13620.1 AtCHX15 38.38
20 MdCHX4.2 MDP0000226584 Chr 0 730 7 AT2G13620.1 AtCHX15 38.64
21 MdCHX4.3 MDP0000302240 Chr 7 748 7 AT2G13620.1 AtCHX15 40.00
22 MdCHX4.4 MDP0000273435 Chr 2 673 9 AT1G05580.1 AtCHX23 32.69
23 MdCHX4.5 MDP0000214396 Chr 15 865 11 AT2G13620.1 AtCHX15 38.56
24 MdCHX4.6 MDP0000160422 Chr 17 857 13 AT2G13620.1 AtCHX15 75.59
25 MdCHX4.7 MDP0000198290 Chr 12 1 030 12 AT3G53720.1 AtCHX20 64.84
26 MdCHX4.8 MDP0000148742 Chr 4 406 10 AT3G53720.1 AtCHX20 72.17
27 MdCHX4.9 MDP0000747891 Chr 4 2 388 13 AT3G53720.1 AtCHX20 54.11
28 MdCHX4.10 MDP0000140464 Chr 4 647 12 AT3G53720.1 AtCHX20 63.33
29 MdCHX4.11 MDP0000256894 Chr 4 817 13 AT3G17630.1 AtCHX19 70.20
30 MdCHX4.12 MDP0000176958 Chr 13 817 13 AT3G17630.1 AtCHX19 69.47
31 MdCHX4.13 MDP0000413077 Chr 1 807 12 AT5G41610.1 AtCHX18 68.97
32 MdCHX4.14 MDP0000895948 Chr 0 844 9 AT5G41610.1 AtCHX1 73.58
33 MdCHX4.15 MDP0000170030 Chr 1 739 10 AT5G41610.1 AtCHX18 64.72
34 MdHAK1.1 MDP0000164610 Chr 11 655 10 AT4G13420.1 AtHAK5 50.37
35 MdHAK1.2 MDP0000225313 Chr 11 799 11 AT4G13420.1 AtHAK5 53.73
36 MdHAK1.3 MDP0000146195 Chr 3 689 11 AT4G13420.1 AtHAK5 52.65
37 MdHAK1.4 MDP0000157997 Chr 11 616 10 AT4G13420.1 AtHAK5 58.32
38 MdHAK1.5 MDP0000146130 Chr 3 755 9 AT4G13420.1 AtHAK5 48.80
39 MdHAK1.6 MDP0000898493 Chr 4 450 5 AT4G13420.1 AtHAK5 48.80
40 MdHAK2.1 MDP0000819805 Chr 13 728 12 AT4G13420.1 AtHAK5 60.34
41 MdHAK2.2 MDP0000294808 Chr 13 833 8 AT4G13420.1 AtHAK5 51.52
42 MdHAK2.3 MDP0000202551 Chr 4 789 11 AT4G13420.1 AtHAK5 63.76
43 MdHAK2.4 MDP0000196573 Chr 13 811 12 AT4G13420.1 AtHAK5 61.71
44 MdHAK3.1 MDP0000235333 Chr 16 872 12 AT1G60160.1 AtKUP5 71.85
45 MdHAK3.2 MDP0000247022 Chr 5 897 12 AT5G09400.1 AtKUP7 76.83
46 MdHAK3.3 MDP0000283526 Chr 5 964 12 AT1G31120.1 AtKUP10 65.32
47 MdHAK3.4 MDP0000276517 Chr 10 807 11 AT2G35060.1 AtKUP11 79.22
48 MdHAK3.5 MDP0000182785 Chr 5 860 12 AT2G35060.1 AtKUP11 72.89
49 MdHAK4.1 MDP0000204536 Chr 5 2 226 10 AT2G30070.1 AtKT1 54.99
50 MdHAK4.2 MDP0000249888 Chr 10 745 10 AT2G30070.1 AtKT1 54.41
51 MdHAK4.3 MDP0000179283 Chr 6 931 11 AT2G40540.2 AtKT2 47.84
52 MdHAK4.4 MDP0000283899 Chr 16 769 11 AT1G70300.1 AtKUP6 72.21
53 MdHAK4.5 MDP0000268194 Chr 13 868 11 AT1G70300.1 AtKUP6 74.29
54 MdHAK4.6 MDP0000223735 Chr 17 775 12 AT5G14880.1 AtKUP4 78.52
55 MdHAK4.7 MDP0000170687 Chr 1 766 13 AT2G40540.2 AtKT2 79.02
56 MdHAK4.8 MDP0000853168 Chr 4 788 12 AT2G40540.2 AtKT2 80.50
57 MdHAK4.9 MDP0000179676 Chr 4 939 12 AT2G40540.2 AtKT2 78.15
58 MdHKT1 MDP0000227262 Chr 15 671 8 AT2G40540.2 AtKT2 77.74
59 MdKEA1.1 MDP0000147356 Chr 8 589 9 AT5G11800.1 AtKEA6 77.33
60 MdKEA1.2 MDP0000818940 Chr 15 580 11 AT2G19600.1 AtKEA4 81.69
61 MdKEA1.3 MDP0000190175 Chr 2 436 7 AT5G11800.1 AtKEA6 60.66
62 MdKEA1.4 MDP0000144878 Chr 1 781 12 AT5G51710.2 AtKEA5 78.03
63 MdKEA2.1 MDP0000244586 Chr 1 1 241 14 AT4G00630.1 AtKEA2 67.97
64 MdKEA2.2 MDP0000165222 Chr 7 1 129 12 AT4G00630.1 AtKEA2 74.75
65 MdKEA3 MDP0000950549 Chr 5 1 002 10 AT4G04850.2 AtKEA2 63.31
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2.2 苹果 K+转运蛋白基因的染色体定位
根据苹果染色体基因组信息，分析了 65 个 K+转运蛋白基因在染色体上的分布情况（图 1）。结
果发现，苹果 K+转运蛋白基因不均匀地分布在 13 条染色体上（除 Chr 6、Chr 9、Chr 12 和 Chr 14
外）。其中 Chr 4 上基因数量最多，有 10 个，其次是 Chr 1（9 个）、Chr 13（8 个）和 Chr 5（5 个），
Chr 3、Chr 11 和 Chr 15 上各有 4 个，Chr 2、Chr 7、Chr 16 和 Chr 17 上各有 3 个，Chr 8 和 Chr 10
上最少，只有 2 个。CHX 基因在 Chr 1、Chr 4 和 Chr 13 上形成明显的基因簇，HAK 基因在 Chr 5、
Chr 11 和 Chr 13 上也形成明显的基因簇，7 个 KEA 基因定位到 6 条染色体上，其中 Chr 1 上定位了
2 个，Chr 2、Chr 5、Chr 7、Chr 8 和 Chr 15 各定位了 1 个，MdHKT1 定位在 Chr 15 上。




























图 1 苹果 K+转运蛋白基因家族在染色体上的分布
Fig. 1 Distribution of K+ transporter genes in apple chromosomes

2.3 苹果 K+转运蛋白基因家族进化树的构建
为研究分析苹果 K+转运蛋白基因的系统发育关系，选择 65 个 K+转运蛋白序列，使用 MEGA 6.0
构建系统发育树（图 2）。结果表明，65 个 K+转运蛋白基因分为 4 个家族：MdCHX、MdHAK、
MdHKT 和 MdKEA 家族，分别包含 33、24、1 和 7 个基因成员。它们亲缘关系紧密，但又具有一
定差异。根据同源性的高低， MdCHX 家族包括 4 个亚家族，分别为：MdCHX1.1 ~ 1.3、MdCHX2、
MdCHX3.1 ~ 3.14 和 MdCHX4.1 ~ 4.15；MdHAK 家族包括 4 个亚家族，分别为：MdHAK1.1 ~ 1.6、
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苹果 K+转运蛋白基因家族鉴定及表达分析.
园艺学报，2016，43 (6)：1021–1032. 1027

MdHAK2.1 ~ 2.4、MdHAK3.1 ~ 3.5 和 MdHAK4.1 ~ 4.9；MdKEA 家族包括 3 个亚家族，分别为：
MdKEA1.1 ~ 1.4、MdKEA2.1 ~ 2.2 和 MdKEA3。




























图 2 苹果 K+转运蛋白基因系统进化树
Fig. 2 Phylogenetic tree of K+ transporter genes in apple

2.4 苹果 K+转运蛋白基因家族成员的基因结构分析
通过 GSDS 分析苹果 K+转运蛋白基因的内含子和外显子，发现 4 类基因的一级结构差异明显
（图 3）。在基因长度方面，CHX 家族成员的平均基因长度明显小于其他家族，但其外显子的平均
序列长度明显大于其他家族。所有基因中均含有内含子，但家族之间含有的内含子数有较大差异。
MdCHX 家族成员平均内含子数量最少（图 3，A），约为 3 个，其次是 MdHKT 家族（图 3，C），为
4 个，最多的是 MdKEA 家族（图 3，D），平均约为 19 个，MdHAK 家族平均约为 8 个（图 3，B）。
这种内含子—外显子结构异化的现象，很可能是在进化过程中基因功能分化的体现。
运用 DOG2.0 软件绘制了苹果 K+转运蛋白基因保守结构域示意图。结果（图 4）发现，4 个家
族的内部成员之间所编码的蛋白序列上都有一段长度和位置相似的保守结构域，但不同家族之间所
含有的保守结构域不同。CHX 家族成员含有 Asp-Al-Ex super family 保守域（图 4，A）；HAK 家族
成员含有 K-trans 保守域（图 4，B），可能与 K+的转运有关；HKT 家族成员含有 TrkH 保守域（图 4，
C），可能与 K+/H+的交换有关；KEA 家族成员含有 Na-H-Exchange 保守域（图 4，D），可能与 Na-H
的交换有关。
Yang Lin，Dong Ling，Li Ming-jun，Ma Feng-wang，Zou Yang-jun.
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1028 Acta Horticulturae Sinica，2016，43 (6)：1021–1032.

















































图 3 苹果 K+转运蛋白基因成员内含子—外显子结构
A：CHX 家族；B：HAK 家族；C：HKT 家族；D：KEA 家族。
Fig. 3 Intron-exon structure of K+ transporter genes in apple
A：CHX family；B：HAK family；C：HKT family；D：KEA family.
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图 4 苹果 K+转运蛋白基因结构域示意图
A：CHX 家族；B：HAK 家族；C：HKT 家族；D：KEA 家族。
Fig. 4 Schematic diagram of protein domains in apple K+ transporter genes
A：CHX family；B：HAK family；C：HKT family；D：KEA family.

2.5 苹果 K+转运蛋白基因的组织表达分析
对 65 个 K+转运蛋白基因在平邑甜茶不同组织及不同发育阶段果实中的表达模式进行分析。结
果（图 5）显示，4 个家族在所有器官中均有表达，且呈现出不同的表达模式。接近一半的成员在根
中高度表达（32 个），其中 CHX 基因 21 个，占 CHX 家族的 63%，HAK 基因 9 个，HKT、KEA 基
因各 1 个；在叶片中高度表达的基因有 12 个，其中 HAK 基因 6 个，CHX、KEA 基因各 3 个；在
茎尖中高度表达的基因有 11 个，其中 CHX 基因 5 个，HAK 基因 4 个，KEA 基因 2 个；在果实中
高度表达基因的 19 个，其中 MdCHX3.2、MdCHX4.9 和 MdHAK4.6 在幼果中高度表达，MdHAK2.3
和 MdKEA2.1 在成熟果中高度表达。在果实发育过程中， MdHAK4.5 和 MdKEA2.1 的表达上调，
MdCHX4.8、MdCHX4.9、MdCHX4.10 和 MdCHX4.11 的表达下调。



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图 5 苹果 K+转运蛋白基因家族表达模式分析
差异倍数为 log2，分别以每个基因在根、花后 16 d 果实中的相对表达量为 1。红色和绿色分别代表高表达和低表达基因。
Fig. 5 Expression profiles of K+ transporter genes in apple
Fold-difference is designated as log2 value，while the expression in root and 16 DAB-fruit were set as“1”for each gene.
High and low expression level genes are indicated by red and green，respectively.
3 讨论
K+转运蛋白基因以家族形式存在于植物中，它们均来自同一祖先，在进化过程中，通过复制事
件形成结构相似、功能相仿的基因，基因复制是进化的动力之一（de Grassi et al.，2008）。报道的模
杨 琳，董 玲，李明军，马锋旺，邹养军.
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式植物拟南芥中含有 48 个 K+转运蛋白基因，包括 28 个 CHX 基因（Sze et al.，2004）、13 个 HAK
基因（Rubio et al.，2000）、1 个 HKT 基因（Mäser et al.，2001）和 6 个 KEA 基因。本研究中从基
因组范围内对苹果 K+转运蛋白基因家族进行系统分析，获得 65 个 K+转运蛋白基因，其中 33 个 CHX
基因，24 个 HAK 基因，1 个 HKT 基因，7 个 KEA 基因，这与拟南芥家族成员分布相似。相比拟
南芥，苹果中 CHX 基因和 HAK 基因的数量都有所增加，可能苹果中 Chr 1 和 Chr 4 在进化过程中
插入了重复序列，导致 CHX 基因和 HAK 基因发生复制，而 HKT 基因和 KEA 基因则相对保守。
植物中已克隆出的 K+转运蛋白基因成员，其功能不尽相同。已有研究表明，AtKUP4 和 AtHAK5
主要在根中表达（Gierth et al.，2005），促进根对 K+的吸收，以此维持细胞中 K+稳态，与 AtHAK5
同源的 HvHAK1、LeHAK5 及 OsHAK1 也受低 K+诱导表达（Ashley et al.，2006）。苹果中与 AtKUP4
同源的基因有 1 个（MdHAK4.6），与 AtHAK5 同源的基因有 10 个（MdHAK1.1 ~ MdHAK1.6 和
MdHAK2.1 ~ MdHAK2.4），在根中均有较强表达，推测在根对 K+的吸收、维持细胞渗透压和 K+稳态
方面有重要作用。Platten 等（2006）将 HKT 蛋白分为两类：第 1 类以 AtHKT1：1 为代表，包括盐
地碱蓬 SsHKT1：1、水稻 OsHKT1：5 等，通常为 Na+ 转运蛋白，有的也能转运 K+；第 2 类以小
麦 TaHKT2：1 为代表，包括 水稻 OsHKT2：1、大麦 HvHKT2：1 等，为 K+–Na+共转运蛋白，双
子叶植物缺少此类蛋白基因（赵常玉 等，2012）。苹果 MdHKT1 与拟南芥对应基因的同源性高达
77.74%，推测 MdHKT1 属于第 1 类。
基于 RNA-Seq 的表达分析显示，苹果 K+转运蛋白基因参与了不同组织及果实发育阶段的调控，
超过 60%的 CHX 基因成员在根中表达较强，暗示 CHX 家族在苹果对 K+吸收方面扮演重要角色。
有证据显示，K+的装载与‘满天红’梨果实的发育进程关系密切，K+向果实中的转移能促进细胞的
生长和果实膨大，并提高果实含糖量（张健，2013）。本研究中发现，在苹果果实发育过程中，3
个基因（MdHAK2.3、MdHAK4.5 和 MdKEA2.1）的表达上调，4 个基因（MdCHX4.8、MdCHX4.9、
MdCHX4.10 和 MdCHX4.11）的表达下调，推测它们在苹果果实发育进程中 K+装载及转运方面扮演
重要角色，从而影响果实的膨大和含糖量，为以后寻找关键调控基因提供了思路。
在中国西北地区，土壤中有效 K+浓度较低，不利于植物对有限 K+的吸收利用，因此，找到植
物中与 K+吸收相关的转运体具有重要意义。本研究中采用生物信息学的方法，成功鉴定到 65 个苹
果 K+转运蛋白基因，并对其进行了全面分析，为进一步研究苹果 K+转运蛋白基因的功能和调控机
理奠定了基础，同时为苹果遗传性状改良提供候选基因资源。

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