全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(10): 17521759 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2008AA10Z124和 2006AA10A111)和国家自然科学基金项目(30700508)资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 陈明, E-mail: chenming@mail.caas.net.cn; 马有志, E-mail: mayouzhi@yahoo.com.cn
第一作者联系方式: E-mail: jinjinwh@163.com
Received(收稿日期): 2010-03-10; Accepted(接受日期): 2010-05-23.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01752
转 EdHP1 (氢离子焦磷酸化酶)基因烟草促进钾离子吸收的生理机制
金维环 1,2 董建辉 2 陈 明 2,* 陈耀锋 1 李连城 2 徐兆师 2 马有志 2,*
1 西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100; 2 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程 / 农业部作物遗传育种重点开放实
验室 / 中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081
摘 要: 钾是植物生长必须的重要矿质元素, 提高作物对钾的吸收是提高作物产量的重要途径。本研究以前期遗传
转化披碱草 EdHP1(H+-pyrophosphatase)基因的烟草为材料, 在低钾处理条件下比较了转基因烟草和野生型烟草的生
理特性。结果显示, 在低钾条件下, 野生型烟草体内 K+积累量只相当于转基因烟草的 62.9%。野生型烟草的总根长、
总根表面积、总根体积明显低于转基因烟草(P<0.05), 分别为转基因烟草的 72.9%、68.1%和 60.6%。在不同直径根
系(0.5~2.0、2.5~4.5、>4.5 mm分别为细根、中等根和粗根)中, 细根发育差异最大, 野生型烟草为转基因烟草的 72.9%。
低钾条件下 , 转基因烟草根系活力是野生型烟草的 1.2 倍, 野生型烟草根系焦磷酸化酶活力相当于转基因烟草的
46.4%, 根部游离 IAA 含量相当于转基因烟草的 66.2%。通过非损伤方法测定根部 K+和 H+流速结果显示, 在根系表
面积相似情况下, 低钾条件下野生型烟草外排钾速率显著高于转基因烟草, 而氢离子外排速率显著低于转基因烟草。
综上所述, 发达的根系和较高的 K+转运体活性综合作用显著提高了转基因烟草根部对 K+的吸收。
关键词: 烟草; K+吸收; 氢离子焦磷酸化酶; 根系
Physiological Mechanisms of Enhanced Uptake of Potassium Nutrition in
EdHP1 (H+-pyrophosphatase) Transgenic Tobacco (Nicotiana tabacum)
JIN Wei-Huan1,2, DONG Jian-Hui2, CHEN Ming2,*, CHEN Yao-Feng1, LI Lian-Cheng2, XU Zhao-Shi2, and
MA You-Zhi2,*
1 College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2 National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Im-
provement / Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding of Ministry of Agriculture / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural
Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Potassium is necessary for plant growth and enhancing uptake of potassium is important to improve crop yield. In this
study, previous transgenic tobacco transformed with Elymus dahuricus EdHP1 (H+-pyrophosphatase) was used to compare the
physiological characteristics between transgenic tobacco and wild type tobacco. The results showed that under starvation of potas-
sium, the content of K+ accumulated in wild-type tobacco was 62.9% of that in transgenic tobacco, and the total root length, total
root surface area, and total root volume in wild type tobacco were observably lower than those in transgenic tobacco (P<0.05),
with the decrease of 72.9%, 68.1%, and 60.6%, respectively. In addition, in different root systems of fine roots (diameter=0.52.0
mm), middle roots (diameter = 2.54.0 mm) and coarse roots (diameter>4.5 mm), fine roots were biggest different between trans-
genic and wild type tobacco which fine roots were 72.9% of those in transgenic tobacco. The activity of root system in transgenic
tobacco was 1.2 times as high as that in wild type tobacco. The activity of H+-pyrophosphatase and the content of free IAA in
wide-type tobacco were only 46.4% and 66.2% of those in transgenic tobacco respectively. The results of non-destructive ion flux
measurement showed that under starvation of potassium the efflux of K+ from wild type tobacco was observably higher than that
from transgenic tobacco, but inverse result was found efflux of H+ with similarly total root surface area of transgenic tobacco and
wild type tobacco. Two physiological mechanisms containing well-developed root system and higher activity of K+ transporters
enhanced uptake of potassium in EdHP1 transgenic tobacco plants.
Keywords: Tobacco; Uptake of potassium; H+-pyrophosphatase; Root system
第 10期 金维环等: 转 EdHP1 (氢离子焦磷酸化酶)基因烟草促进钾离子吸收的生理机制 1753


钾是植物生长发育所必需的大量元素之一, 钾
占植物总干重的 10%左右。K+对细胞内多种酶的活
性、渗透势和电势平衡等起着重要作用[1]。细胞质
中高浓度的 K+ (100 mmol L1) 在光合作用、蛋白质
合成和氧化代谢中也起关键作用[2]。
由于钾矿是不可再生资源, 因此, 通过增强植
物根系吸收 K+的能力来降低钾肥的施用量, 对环境
保护和农业的可持续发展具有重要意义。研究表明,
K+影响植物侧根的发生和根系伸长生长 [3-7], 而根
系发育程度又决定着植物利用土壤养分的能力。陈
际型[5]研究表明高效吸钾基因型的根系发达、根-土
界面较大。根系从土壤中吸收钾是由多个基因家族
控制的 , 现已分离鉴定了 K+通道、HKT、KUP/
HAK/KT 和 Na(K)2H+等反向转运体基因[8]。在植物
中, 根系从土壤中吸收钾以及钾在体内转运主要靠
主动运输来完成, 植物对 K+吸收涉及到质膜上的各
种膜转运蛋白, 特别是质膜和液泡膜转运蛋白在离
子主动运输过程中起着重要作用[9]。
氢离子焦磷酸化酶 (H+-pyrophosphatase, H+-
PPase)是一类区别于 H+-ATPase 的 H+转运酶, 广泛
存在于植物和少数藻类、原生动物、细菌以及原始
细菌中[10]。H+-PPase是以焦磷酸(PPi)为底物的水解
酶, 在液泡膜上, H+-PPase 能够把无机焦磷酸(PPi)
水解产生的自由能和 H+跨膜转运相耦联, 在将 PPi
水解为 2个 Pi的同时, 可以使液泡酸化和细胞质碱
化, 有利于细胞质中生理生化反应的顺利进行, 同
时建立跨液泡膜电化学梯度 , 为各种溶质(如阳离
子、阴离子、氨基酸和糖类等)分子跨液泡膜的次级
主动运输提供驱动力[11]。H+-PPase作为一种有效的
质子泵, 在植物对水分和盐分胁迫的响应中可能扮
演着重要的角色。H+-PPase 与液泡膜 H+-ATPase 一
起形成 H+跨液泡膜电化学梯度, 既能维持细胞离子
平衡和渗透平衡, 又能减轻一些无机离子(如 Na+)对
细胞质的毒害起质子泵的作用。将盐芥的 H+-PPase
转入拟南芥发现能够明显提高拟南芥的耐盐性及耐旱
性[12-13]。在大多数植物中, H+-PPase都特异地定位于
植物液泡膜上。但 Long 等[14]在蓖麻(Ricinus com-
munis)萌发种子的子叶细胞质膜上发现了 H+-PPase
活性。Robinson 等[15]也证实, 在豌豆发育的子叶细
胞质膜中存在 H+-PPase 蛋白。Davies 等 [16]和
Obermeyer等[17]发现H+-PPase还参与K+向液泡内的
运输。董建辉等[18]对披碱草(Elymus dahuricus)焦磷
酸化酶 EdHP1基因的研究发现, EdHP1基因能够显
著提高转基因烟草抗旱性并促进对 K+的吸收。目前,
对于 EdHP1 促进 K+吸收的生理机制还不十分清楚,
本研究通过比较转 EdHP1 基因烟草及野生型烟草
的各项生理指标, 初步分析了焦磷酸化酶 EdHP1促
进转基因烟草钾吸收的生理机制, 增加对植物 K+生
理代谢过程的了解。
1 材料与方法
1.1 试验材料
野生型烟草 W38 及 T1代转基因烟草株系 T32
种子为本实验室保存。W38种子和转基因烟草种子
分别置 MS、MS+100 g mL1 Kana培养基上萌发。
萌发 2周后将长势一致的野生型和 T1代转基因烟草
株系 T32 幼苗移栽到花盆中, 盆内用蛭石填充, 去
离子水浇透, 每盆 3株, 各重复 3盆。然后分别用缺
钾的MS营养液浇灌转 T1代转基因烟草株系 T32和
野生型烟草。花盆为直径 15 cm, 高 13 cm的塑料盆;
营养液钾浓度为 0.05 mmol L1。烟草在温室中培养,
白天温度为 22℃, 晚上为 17℃, 相对湿度为 70%,
光周期为 18 h, 运用金卤灯补光。
1.2 发芽率的测定和转基因烟草的检测
经 70%酒精和 NaClO消毒后, 野生型烟草种子
点播在钾含量为 0.05 mmol L1的 MS培养基上, T1
代转基因烟草株系 T32 种子点播在钾含量 0.05
mmol L1, Kana含量 100 μg mL1的 MS培养基上,
避光萌发 1周, 统计发芽率。
用 TRNzol法提取总 RNA, 反转录成 cDNA, 采
用 RT-PCR检测 T1代转基因烟草株系 T32及野生型
烟草 EdHP1 表达情况。上游引物为 5-CTGCTGCC
ATCGGAAAGGGT-3, 下游引物为 5-AACTAGAT
AGTCCATCATGCGTCGG-3, 扩增长度为 728 bp。
Actin 上游引物为 5-AGAGGTTCCGTTGCCCAGA
AGT-3, Actin 下游引物为 5-GCTAGGAGCCAAA
GCCGTGATT-3, 扩增长度为 212 bp。
1.3 生理指标的测定
野生型烟草及 T1代转基因烟草株系 T32在低钾
条件下生长 3 周, 各取两盆测定株系形态和钾含量,
其中, 株系形态测定茎长、叶片数、叶面积和根系
参数。另取 2盆测定根系活力和 EdHP1活力及游离
IAA 含量。根系经水洗晾干后, 沿根茎交界处剪下,
整体根系形态经 EPSON扫描仪扫描, 用WinRHIZO
软件分析总根长、总表面积、总体积, 平均直径以
及不同直径范围根系(0.5~2.0、2.5~4.5、>4.5 mm分
1754 作 物 学 报 第 36卷

别称为细根、中等根和粗根)的长度、表面积和体积。
采用非损伤方法[19]探测根系根尖、伸长区和根毛区
周围的 K+和 H+流速值。
1.3.1 钾浓度的测定 样品经 105℃杀青 30 min,
80℃下烘 48 h称重, 粉碎后过 0.25 mm筛, 用盐酸
浸提-火焰光度计法[20]测定钾含量。
1.3.2 根活力的测定 运用 TTC 法[21]测量根系
活力。将在 K+水平 0.05 mmol L1条件下生长 4周的
野生型烟草 W38及 T1代转基因烟草株系 T32分别
从根、茎交界处剪下, 称取 1 g左右的鲜根, 浸没到
含 0.6% TTC的磷酸二氢钾溶液中(0.1 mol L1, pH
7.0)在暗处静置, 24 h后倒掉缓冲液, 用去离子水冲
洗 3次, 以 80℃的 95%乙醇浸泡 20 min提取红色甲
臜, 于 485 nm下测定吸光值, 用 OD g–1 FW表示根
系活力。
1.3.3 烟草 EdHP1 酶活力的测量 膜囊的制备,
参照Wang和 Sze[22]方法并做改进, 取 10~15 g新鲜
或冷冻样品, 按(g mL1) 1︰2 加入提取液, 冰浴研
磨, 4层纱布过滤后以 4℃ 2 000  g冷冻离心 10 min;
将上清液 4℃ 13 000  g离心 15 min, 将沉淀用 5 mL
悬浮液再离心一次; 取上清液以 80 000  g冷冻离
心 30 min, 小心用悬浮液(2 mL)悬浮沉淀铺在 0-10%-
22%-30%-45% (W/W)的蔗糖梯度溶液上面, 100 000 
g 4℃冷冻离心 2 h, 用注射器收集 30%~45%间组分
并在 0℃下处理 15 min, 得到密闭膜微囊制剂。样品
用液氮速冻后80℃保存。EdHP1活性的测定, 按照
《现代植物生理学实验指南》[23]方法。0.5 mL反应
系统中含 400 L反应液, 50 L 膜微囊制剂, 以 50
L 20 mmol L L1焦磷酸钠启动反应, 置 37℃水浴
中温育 20 min, 加入 1 mL终止液终止反应, 终止反
应后加入显色液 0.2 mL, 摇匀, 置室温 40 min后于
波长 660 nm 处比色。膜蛋白含量测定按 Bradford
法[24], 以BSA为标准蛋白。活性单位以 μmol Pi mg1
Protein min1表示。
1.3.4 游离 IAA含量 称取 1.0 g烟草根系, 加 2
mL预冷的 80% (内含 1 mmol L1 BHT)甲醇提取液,
在冰浴下研磨成匀浆, 转入 10 mL试管, 在 4℃下提
取 4 h, 1 150  g离心 8 min, 取上清液; 沉淀中加 1
mL提取液, 重复提取 l h, 离心, 合并上清液, 弃去
残渣。将上清液转入 10 mL塑料离心管中, 用氮气
吹干 , 除去提取液中的甲醇 , 用样品稀释液定容 ,
用酶联免疫技术 [25]测定激素含量(试剂盒购自中国
农业大学)。
1.3.5 非损伤方法探测 K+和 H+流速值 野生型
烟草W38及 T1代转基因烟草株系 T32种子经萌发 1
周后, 转移到K+含量为 0.05 mmol L–1的低钾培养基
上, 生长 1 周后分别在低钾测试液和 H+测试液里测
试二者的 K+和 H+的流速值。测试部位分别为根尖,
伸长区, 根毛区。
1.4 数据统计
对根系数据测定每处理重复 3株, 对根系活力、
生长素, 测量为 3 个重复; 非损伤测量 K+、H+为 5
个重复, 用 SAS的 t-test进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 T1 代转基因烟草株系 T32 中外源基因
EdHP1表达的检测
RT-PCR 检测结果显示, EdHP1 基因在 T1代转
基因烟草株系 T32 内有清晰的条带, 而在野生型烟
草对照中没有相应的条带, 初步证明转入的外源基
因在受体中表达。
2.2 T32钾处理浓度的选择和发芽率检测
本实验尝试低钾处理浓度分别为 0.05、0.1、0.6
mmol L1, 在 0.1 mmol L1和 0.6 mmol L1条件下,
T1 代转基因烟草株系 T32 和野生型烟草差别不大,
T1 代转基因烟草株系 T32 的钾积累量分别为
19.25±0.96 g kg1和 38.84±3.21 g kg1, 野生型烟草
的钾积累量分别为 18.32±1.88 g kg1和 36.66±1.57 g
kg1; 但在 0.05 mmol L1低钾条件下, T1代转基因烟
草株系 T32 和野生型烟草的钾积累量为分别为
17.18±0.97 g kg1 和 10.81±1.61g kg1, 差异显著
(P<0.05)。因此, 本实验中低钾处理条件确定为 0.05
mmol L1。
如图 2所示, 在 0.05 mmol L1低钾条件下, T1
代转基因烟草株系 T32 种子的发芽率显著高于野生
型烟草种子的发芽率, 其中T32种子点播 189粒, 发
芽 167 粒, 发芽率为 88.5%; 野生型烟草种子点播
172粒, 发芽 65粒, 发芽率为 37.8%。前者为后者的
2.3倍。
2.3 T32幼苗根系的整体形态
如表 1所示, 在 0.05 mmol L–1低钾条件下处理
4周, 野生型烟草和 T1代转基因烟草株系 T32相比,
前者主茎和根系长度明显受到抑制, 主茎高度为后
者的 61.8%; 地下部分长度为后者的 72.8%; 平均根
系总数目为后者的 66.8%; 二者叶片数目相差不大,
但前者平均叶片面积显著减少, 为后者的 52.1%。
第 10期 金维环等: 转 EdHP1 (氢离子焦磷酸化酶)基因烟草促进钾离子吸收的生理机制 1755



图 1 转基因烟草 RT-PCR分析
Fig. 1 RT-PCR analysis of transgenic tobacco plants
左图为野生型烟草和转基因烟草 RT-PCR检测结果, T32-1至 T32-6为转基因烟草 T32株系; W38-1、W38-2为野生型烟草; 以 Actin
基因为内标; Marker为 DL2000。右图为左图条带定量分析的结果, 纵坐标为焦磷酸化酶基因表达量与内标基因(Actin)的比值。
Left: RT PCR results of transgenic tobacco (plants from T32-1 to T32-6) and wild type tobacco (W38-1 and W38-2). Actin is as internal
standard and DL2000 is marker; Right: quantitative results of RT PCR in left figure. Y axis showed expression rate between EdHP1 and
Actin.


图 2 在 0.05 mmol L1低钾水平下烟草的发芽率
Fig. 2 Germination rate of transgenic plants and wild type
under 0.05 mmol L1 K+
左: W38野生型烟草; 右: 转基因烟草 T32株系。
Left: wide-type tobacco (W38); right: transgenic tobacco. Seeds
were sowed on the MS with 100 g mL1 Kana.

根系总长和总表面积决定植株的吸收能力 [26],
而根系总体积则由总表面积和平均直径决定。在
0.05 mmol L1低钾处理下, 野生型烟草在根系总长
度、根系总表面积、根系总体积均显著低于 T1代转
基因烟草株系 T32, 前者总根长相当于后者的
72.9%, 根系总面积相当于后者的 68.1%, 根系总体
积相当于后者的 60.6%, 而在平均根直径上二者差
异不显著, 前者为后者的 95% (表 2)。
2.4 烟草不同直径根系生长
植物吸收能力最强的集中在细根的根毛区, 不
同的直径根系吸收能力不同[27], 从表 3 可以看出,
通过低钾(0.05 mol L1)处理, 在根系长度、根系面积
和根系体积上, 野生型烟草比 T1代转基因烟草株系
T32 显著降低 , 细根、中等根和粗根的长度分别

表 1 0.05 mmol L–1低钾处理 4周之后烟草生长情况的比较
Table 1 Growth statue comparison after treatment with 0.05 mmol L–1 K+ for 4 weeks
株系
Plant
平均主茎高度
Average height of
main stems (cm)
平均根系总数目
Average number
of roots
根系平均长度
Average length
of roots (cm)
平均叶片数
Average num-
ber of leaves
平均叶面积
Average leaf
area (cm2)
转基因 T32株系 Transgenic tobacco T32 17.3±0.6* 2355±384* 11.4±0.8* 12±0.5 14.4±1.2**
野生型株系 Wide-type tobacco 10.7±0.6 1572±257 8.3±0.6 11±0.5 7.5±0.6
同一列中标以*的值差异显著(P<0.05), 标以**的值差异极显著(P<0.01)。
Values in a column marked with * and ** are significantly different at P<0.05 and P<0.01, respectively.

表 2 0.05 mmol L–1低钾条件对烟草根系总长度、总表面积、根系总体积以及根系平均直径的影响
Table 2 Some root parameters of tobacco plants under treatment with 0.05 mmol L–1 K+
株系
Plant
根系总长度
Total root length
(cm)
根系总表面积
Total root surface area
(cm2)
根系总体积
Total root volume
(cm3)
根系平均直径
Average root diameter
(cm2)
转基因 T32株系 Transgenic tobacco T32 1627.7±91.5** 52.2±4.1* 4.1±0.34* 0.37±0.02
野生型株系 Wide-type tobacco 1188.2±132.5 35.5±2.5 2.5±0.08 0.34±0.01
同一列中标以*的值差异显著(P<0.05), 标以**的值差异极显著(P<0.01)。
Values in a column marked with * and ** are significantly different at P<0.05 and P<0.01, respectively.

1756 作 物 学 报 第 36卷

表 3 0.05 mol L1低钾条件对不同直径根系的根长、根表面积和根体积的影响
Table 3 Some roots parameters of different diameters tobacco root system under treatment with 0.05 mmol L1 K+
根系长度 Root length (cm) 根系面积 Root surface area (cm2) 根系体积 Root volume (cm3) 株系
Plant 0.52.0a 2.54.5 >4.5 0.52.0 2.54.5 >4.5 0.52.0 2.54.5 >4.5
转基因 T32株系
Transgenic tobacco T32
1616±71* 7.3±0.4* 3.7±0.13* 47.5±6.1* 2.2±0.10* 2.5±0.18* 2.2±0.32* 0.56±0.04* 1.41±0.35*
野生型株系
Wide-type tobacco
1179±4 5.9±0.2 3.1±0.11 31.9±3.3 1.8±0.05 1.8±0.22 1.2±0.22 0.46±0.03 0.82±0.18
同一列中标以*的值差异显著(P<0.05); a: 根系直径。
Values in a column marked with * and ** are significantly different at P<0.05. a: root system diameter (mm).

为T1代转基因烟草株系T32的 72.9%、80.9%、83.4%;
其根系面积分别为 T1 代转基因烟草株系 T32 的
67.2%、81.8%、72.8%; 根系体积分别为 T1代转基
因烟草株系 T32 的 56.1%、82.1%、58.2%。在根长
的绝对差上, 细根远远大于中等根和粗根。T1 代转
基因烟草株系 T32比野生型烟草细根长 437 cm; 而
中等根和粗根分别长 1.4 cm和 0.6 cm。
在不同直径根系的根长、根表面积和根体积占
总根系比例上, 如表 4 所示, 在钾水平 0.05 mmol
L1条件下, 根长所占比例中, 野生型烟草和 T1代转
基因烟草株系 T32差异不显著; 在根系面积比例中,
在细根、粗根水平下二者差异不显著, 在中等根水
平上前者显著高于后者, 为它的 1.2倍; 在根系体积
比例中, 野生型烟草根系在细根水平上明显低于 T1
代转基因烟草株系 T32, 前者为后者的 92.3%, 而中
等根水平上则显著高于后者, 为其的 1.4倍; 在粗根
水平下二者差异不显著。可见, 在本试验中, 该基因
对不同直径根系发育的影响上是相同的。

表 4 0.05 mmol L–1钾水平对不同直径根系的根长、根表面积和根体积占总根系比例的影响
Table 4 Parameters ratios of roots with different diameters to total root system under treatment with 0.05 mmol L–1 K+
根长比例 Root length ratio 根系面积比例 Root surface area ratio 根系体积比例 Root volume ratio株系
Plant 0.52.0a 2.54.5 >4.5 0.52.0 2.54.5 >4.5 0.52.0 2.54.5 >4.5
转基因 T32株系
Transgenic tobacco T32
99.3±0.04 0.4±104 0.2±8×105 91.3±0.11 4.3±103 4.7±3×103 52±0.07 14±0.01 34±0.08
野生型株系
Wide-type tobacco
99.2±0.04 0.5±104 0.3±9×105 89.8±0.09 5.2±10–3* 5.0±6×103 48±0.09 19±0.01* 33±0.07
同一列中标以*的值差异显著(P<0.05); a: 根系直径。
Values in a column marked with * and ** are significantly different at P<0.05. a: root system diameter (mm).

2.5 烟草根系活力、酶活力、游离 IAA和非损伤
探测
从表 5可以看出, 在低钾处理下, T1代转基因烟
草株系T32根系活力为野生型烟草的 1.2倍, 这是代
谢旺盛的表现; 氢离子焦磷酸化酶活性为其 2.0 倍,
酶活力显著提高, 游离 IAA含量为其 1.5倍。
非损伤探测结果(图 3)显示, 在根尖和伸长区, 野
生型烟草 K+外流速率显著高于转基因株系(P<0.05),
分别为 5.1倍和 3.5倍, 在根毛区外流速率相差不大。
T1代转基因烟草株系 T32的 H+在根尖、根伸长区、根
毛区也均为外排, 野生型烟草在根尖和根毛区也均外
排, 但在伸长区为内流, 野生型烟草 H+外排速率明显
低于 T1代转基因烟草株系 T32 (P<0.05), 根尖和根毛
区分别为后者的 32.1%和 40.8%。

表 5 0.05 mmol L1低钾处理对根系活力、氢离子焦磷酸化酶活性和游离 IAA含量的影响
Table 5 Root activity, EdHP1, and content of free IAA under treatment with 0.05 mmol L1 K+
株系
Plant
根系活力
Root activity
(OD g1 FW)
氢离子焦磷酸化酶活性
EdHP1 vitality
(μmol Pi mg1 Protein min1)
游离 IAA含量
Free IAA content
(ng g1 FW)
转基因 T32株系 Transgenic tobacco T32 4.25±0.1* 0.28±0.03* 58.34±5.39**
野生型株系 Wide-type tobacco 3.55±0.13 0.13±0.02 38.62±4.06
同一列中标以* 的值差异显著(P<0.05); 标以** 的值差异极显著(P<0.01)。
Values in a column marked with * and ** are significantly different at P<0.05 and P<0.01, respectively.
第 10期 金维环等: 转 EdHP1 (氢离子焦磷酸化酶)基因烟草促进钾离子吸收的生理机制 1757



图 3 烟草根系不同部位 K+和 H+流速值
Fig. 3 Ion flux of K+ (left) and H+ (right) in different zones of tobacco roots
采用非损伤方法探测转基因 T32株系和野生型株系根尖、伸长区和根毛区的 K+和 H+流速值, 左为 K+流速值; 右为 H+流速值。
The ion flux for K+ (left) or H+ (right) was measured using non-destructive measurement in root apical zone, root elongation zone and root
hair zone of transgenic tobacco or wild type tobacco.

3 讨论
植物中的钾主要存在于细胞质和液泡, 而细胞
质中 K+浓度仅在液泡内 K+ 浓度低到一定程度时才
表现降低[28]。当植物处于必需营养元素缺乏或盐胁
迫环境时, 为维持正常的生理代谢, 细胞将通过转
录和翻译相关基因来调控渗透势和电化学势, 调节
离子运输[29]。一些学者研究表明氢离子焦磷酸化酶
能促进 H+从胞质向液泡的转运[30]及 K+在液泡中的
积累[31], 而钾的富集能促使整个根系生长[4]。
3.1 转基因烟草 K+离子转运蛋白活性提高促进
植株对 K+的吸收
植物吸收 K+等是主动运输过程, 根部呼吸放出
的 CO2和土壤溶液中的 H2O 形成 H2CO3, 土粒表面
的K+与细胞表面H2CO3的H+进行离子交换, H+进入
土壤溶液, K+便进入根部。非损伤探测结果显示, 在
根尖、伸长区部位, 转基因和野生型植株 K+均外排,
但野生型烟草外排速率明显高于T1代转基因烟草株
系 T32; H+ 在根尖、伸长区、根毛区也均为外排, 野
生型烟草 H+ 外排速率明显低于 T1 代转基因烟草
T32株系。推测 EdHP1的过量表达提高了质膜内外
的质子梯度, 促进了质膜上 K+转运体对胞外 K+的
吸收。在 K+等矿质元素水平较低情况下, 细胞内钾
浓度高于胞外, 由于自由扩散作用表现为外排, 但
T1代转基因烟草株系 T32具有较高的K+主动吸收能
力, 在 K+外排的同时对 K+的内向吸收的速率高于
野生型株系, 在吸收和外排的动态平衡中, 转基因
株系表现为外排速率低于野生型株系, 从而减少 K+
的丢失。转基因株系外排 H+速率显著高于野生型株
系, 由于 EdHP1酶通过水解焦磷酸提高了胞内外的
质子梯度, 使根系具有较高的活力, 促进 H+和胞外
的阳离子进行交换, 因此, 转基因株系外排 H+速率
提高反映出其质膜上 K+等矿质离子转运相关蛋白
的活性相对于野生型烟草明显提高。这与根系活力
的测定结果是一致的 (表 5)。实验结果证明 , 转
EdHP1 基因烟草除了增加根系面积提高 K+的吸收
外, 同时促进了质膜上的 K+转运体活性, 促进了单
位根面积上 K+的运输。
3.2 转基因烟草根部生长素分布的变化影响了
根系的发育
根系发育不同阶段都受 IAA的调节[32]。有研究
较多, 但在缺钾条件下 IAA 对根系影响的研究比较
少[33]。K+等矿质离子可能是通过影响 IAA的含量对
根系的发育产生影响[34]。据 Vicente-Agullo 等[35]报
道, 对 DR5-GUS (生长素响应元件-β葡萄糖醛酸酶)
在缺钾根系的错位表达, 发现 IAA 在中柱中积累。
AVP1过量表达使细胞内酸化, 而 AVP1的缺失能使
细胞内碱化, 酸碱化程度影响细胞膜上 PIN1等植物
生长素外向运输载体的位置和数量, 从而调节植物
生长激素的运输[36]; 同时, 胞内 pH值的降低能抑制
生长素的外排, 促进生长素的运输和积累。本研究
结果表明在低钾水平下, 野生型烟草根部 IAA 含量
为 T1代转基因烟草株系 T32株系的 65%, EdHP1过
量表达使根部细胞内部酸化, 促进 IAA运输和积累,
这一结果和 Li等[36]的结果一致。根部生长素含量增
加促进了转 EdHP1基因烟草根系的发育。
3.3 发达的根系和较高的根系活力促进转
EdHP1基因烟草对钾的吸收
低钾情况下 , 野生型烟草株系明显受到抑制 ,
体内钾元素含量显著低于T1代转基因烟草株系T32,
这与Gaxiola等[37]在拟南芥上过量表达AVP1结果一
致。T1代转基因烟草株系 T32的根系总长、总表面
1758 作 物 学 报 第 36卷

积和总体积显著提高(表 2)。根系中以细根增加为主,
中等根和粗根变化不大(表 3)。说明钾主要影响细根
的发育 , 而植物吸收矿质离子部位主要在细根 [27],
因此野生型烟草受到缺钾的影响更为严重。野生型
烟草的根系活力显著低于 T1代转基因烟草株系 T32
(表 5), 这与根系吸收活性的结果是一致的 [38]; 发
达的根系和较大的根表面积是植物吸收矿质离子不
可缺少的条件[39]。本研究表明 EdHP1基因的转化促
进了 T1代转基因烟草株系 T32根系的发育, 发达的
根系和较高的根系活力促进 T1 代转基因烟草株系
T32对钾的吸收。
4 结论
推测 EdHP1 基因的表达提高了转基因烟草根
部细胞质内的质子梯度 , 一方面使根部细胞酸化 ,
提高 IAA 等生长素在根部的分布, 促进根系发育;
另一方面促进细胞质膜上 K+转运体的活性, 增加根
部 K+的主动运输, 最终两方面的生理过程综合作用
显著提高植物根部对 K+的吸收。
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