全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 30(4)：531— 533 2OlO年 7月
不同烤烟基因型钾离子通道特性研究
鲁黎明
(四川农业大学 农学院，四川 雅安 625014)
摘 要 ：通过对 4个不同钾营养效率的烤烟品种的根皮层细胞质膜内向跨膜钾 电流进行全细胞记录，研究钾
营养效率不同的烤烟基 因型的钾离子通道的特性。结果表明，NC89的电流密度(pA／pF)最高，约为一8O；其次
是农大 202及净叶黄，其电流密度分别为一60及一5O；NC2326的电流密度在四个基 因型中最小 ，大约一4O。结果
表明，烤烟根皮层细胞质膜跨膜内向钾电流的大小 ，与基因型对 K+亲和力及吸收能力的大小，以及烤烟基因
型钾营养效率高低有着密切的关系，可以作为一个 比较可靠的参考鉴定指标，指导 K+营养高效 的基 因型的
筛选与鉴定。
关键词 ：烤烟；钾离子通道 ；内向钾电流
中图分类号 ：$572 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2010)04—0531—03
Characteristics of potassium channel
of different tobacco genotypes
LU Li-M ing
(College of Agriculture，Sichuan Agricultural University，Ya’al 625014，China)
Abstract：The characteristics of root cortex protoplast whole cell transmembrane in-ward K+ current of four flue-
cured tobacco genotypes with different potassium use efficiency were studied．The results showed that the current
density(pA／pF)of NC89(-80)was the highest of al four genotypes，then Nongda 202，Jingyehuang and NC2326
were-60，一50 and一40 respectively．The results suggested that the current density(pA／pF)of transmembrane in-
ward K+ current was closely related to the potassium absorption ability and potassium use efficiency of flue-cured to—
baeco，and could be used as a effective method tO screen high potassium use efficiency flue-cured tobacco genotype．
Key words：flue-cured tobacco；potassium channel；in-ward K+ current
烟叶含钾量是烟叶的一个重要的质量因素。烟
叶含钾量高，能够提高烟叶的燃烧性 、填充力 以及增
加色泽、降低有害物质的含量等(杨铁钊等，2002)，
并因此具有较好 的外观 质量与 内在 品质 。研究 表
明，不同植物及同一种植物的不同基因型之间，其叶
片含钾量及根系对钾的吸收特性存在着较大的差
异。对烟草而言，其基 因型之间，在叶片含钾量上也
存在着显著的差异，并且这种差异是可以稳定遗传
的(牛 佩 兰等 ，1996；周 应 兵 等，1998；杨 铁 钊 等，
2006a)。为了阐明这种差异产生的机制 ，对不 同遗
传背景的植物进行了生理特性如吸钾能力及钾的营
养效率等方面的研究。研究结果表明，吸收钾能力
强的基因型具有最大吸收速率 Vmax较高 ，而米氏
常数 Km相对较小 的特点(吕福堂等 ，2005；赵学强
等，2006；邹春琴等，2002；李廷轩等，2003)。在分子
水平上，植物对 K 的吸收，要靠质膜上的K 转运
蛋白来完成。通过在细胞水平上记录根皮层细胞原
生质体跨膜内向 K 电流的大小，就可以在一定程
度上反映植物吸收 K 的能力。植物根细胞质膜上
的内向 K 通道所介导的 K 的转运，即为跨膜的内
收稿日期：2008一i0—26 修回日期 ：2009—07—17
基金项目：四川省教育厅青年基金(07ZA073)[Supported by Youth Foundation of Education Department of Sichuan Province(07ZA073)]
作者简介：鲁黎明(1965～)，男 ，河南正阳人 ，博士，副教授，研究方向为烟草分子遗传 ，(E-mail)lira_louis@sohu．tom。
532 广 西 植 物 3O卷
向 K 电流。Xu等 (2006)利用膜片钳技术对拟南
芥突变体与野生型的根皮层原生质体内向K 电流
进行了全细胞记录，从而在细胞水平上，从 K 的转
运能力方面阐明了突变体对低钾敏感的原因。在烟
草方面，刘卫群等(2005)以烟草为材料，对其根皮层
原生质体质膜上的钾通道的特性进行了研究。结果
表明，内向钾通道在膜电压低于一40mV时，可以被
K 激活，该内向钾 电流的 Km 约为 15．2 mmol·
L～，与低亲和性钾吸收 的 Km 十分接近。然而 ，烤
烟品种的不同基因型在根皮层原生质体质膜的内向
钾电流的大小之间的差异的研究还鲜见报道。本试
验研究了 4个烤烟品种根皮层原生质体质膜的内向
钾电流的特性，以试图找出烤烟不同基因型之间跨
膜内向钾电流的大小与其钾的营养效率之间是否存
在某种程度的相关。
1 材料与方法
供试材料为 NC89、NC2326、农大 202(ND202)
及净叶黄(JYH)。烟草种子经表面消毒后 ，播种于
MS培养基上，在光照培养箱中进行全光照培养。
培养温度为 25℃，光照度为 70／~mmol·m-。·s～。
取在 MS培养基上生长 28 d的幼苗进行根皮层原
ND202
生质体的分离。原生质体的分离、全细胞内向通道
电流的记录及通道性质鉴定等方法，参见于川江等
(1999)及刘卫群等(2OO5)的方法进行。
2 结果与分析
2．1全细胞电流的鉴定
电流成分 的鉴定 ，对研究质膜的跨膜电流至关
重要。因此，在对内向钾电流进行正式记录前，必须
对电流的成分进行鉴定 。鉴定电流成分的重要依据
是全细胞电流的逆转电位(Erev)。根细胞原生质体
在胞外溶 液含 K 10 mmol·L 、胞 内含 K 100
mmol·L 时，保持电位设在一58 mV，当膜电位超过
一 100 mV时，可记录到明显的内向电流；膜电位越负
则内向电流越大。通过尾电流记录分析跨膜电流变
化，内向电流的逆转电位(Erev)为一4O mV。根据能
斯特方程对细胞内外 主要离子平衡电位 的计算表
明，烟草根细胞质膜的逆转 电位接近 K 的平衡电
位(一58 mV)，证明烟草根细胞原生质体的全细胞内
向电流主要是 K 电流。
2．2全细胞电流的记录
图1为烟草不同烤烟基因型根皮层原生质体质
膜内向钾电流全细胞记录的结果。
JYH Voltage(mV)
国 ＼
．
。
· 180—160—140—120-100-80 ·60 ·4O
一
图 1 烟草根皮层细胞 内向K+电流全细胞记录图
Fig．1 Whole cel recording of in-ward K+current of tobacco root cortex cell
A．全细胞记录及电流与时间标尺；B．全细胞跨膜电流密度与跨膜电压关系曲线。ND202：农大202；JYH：净叶黄。
Data show whole cel current recording and time course(A)and the relation of whole cel current density and voltage across membrane(B)
由图 1可以看出，烤烟各个基因型随着膜电位
偏向负值程度的加大，其内向钾电流的密度(pA／
pF)也逐步加大，但其增加的幅度却有明显的不同。
在膜电位达到一180 mV时，各个基因型的电流密度
均达 到最 大。其 电流 密度 (pA／pF)的绝对值 以
NC89最高，约为一8O，其次为农大 202及净叶黄，其
电流密度分别为一60及一50，而 NC2326的电流密度
最小 ，大约一4O。
Epstein等(1963)认为，高等植物对离子的吸收
存在高亲和与低亲和两种吸收机制。通过离子通道
对离子的吸收是一个被动的过程，也被认为是一种
低亲和性吸收的机制。对跨膜内向电流的研究表明
：Icl，’qcI一 一∞c。o_c J3u
o
伽 加 ∞ ∞ 似
4期 鲁黎明：不同烤烟基因型钾离子通道特性研究 533
(刘卫群等，2005；于川江等，1999)，在胞外 K 浓度
从 1 mmo1．L- 至 10 mmol· 变化时 ，根据记录到
的内向K 电流的大小所计算得出的 K 吸收的平
衡解离常数(Kin)均大于 10 mmol·L ，表明高等
植物根皮层细胞质膜上的内向 K 通道所介导的主
要是植物低 亲和性 K 吸收。所 以，内向钾 电流的
大小在一定程度上反映了基因型对 K 吸收能力的
高低。本研究结果说 明，在低亲 和性 K 吸收状态
下 ，NC89对 K 的吸 收能力最高 ，其次为农大 202
及净叶黄 ，吸收能力最低的是 NC2326。
3 讨论
植物 K 吸收的实质 ，是 K 的跨膜运输 。在分
子水平上 ，植物对 K 的吸收是由两类不同的 K 转
运蛋白来完成的。根皮层细胞质膜上的 K 通道则
主要介导了 K 的低 亲和吸收。K 通道所介导的
内向 K 电流的大小 ，反映 了 K 通道对 K 通透能
力的高低。Xu等(2006)的研究发现，拟南芥敲除突
变体 aktl、lksl以及 cblcbl9的根皮层原生质体内
向K 电流大大低于野生型，并因此造成了突变体
在低钾培养基上 由于不能吸收足量 的 K 而变黄的
表型。因此，通过记录根皮层原 生质体全细胞 内向
K 电流的大小，就能够在一定程度上判定植物对
K 吸收能力的强弱(Xu等，2006；于川江等 ，1999)。
本研究通过对 K 营养效率不同的四个烤烟基因型
的全细胞内向 K 电流的记录发现 ，不同 K 营养效
率的烤烟基因型的内向 K 电流有着显著的不同。
最大电流密度以 NC89最高，其次为农大 202及净
叶黄 ，而 NC2326的电流密度最小 ，
植物对 K 的营养效 率在 不 同的植物种类 之
间、同一种植物的不同基因型之间存在着显著的差
异 ，这种差异与植物根 系对 K 的吸收效率密切相
关 (李廷轩等，2003)。在本研究所采用的烤烟品种
当中，农大 202属于高钾型品种，在北方烟区，其叶
片含钾量可达 2．5 ；而 NC89、净叶黄及 NC2326
的叶片含钾量则只有 1．5 。杨铁钊等 (2006a，b)
的研究表明 ，这 四个品种叶片含钾量不同，对钾的吸
收强度与积累效率也不同。农大 202属于 K 的吸
收利用高效型，净叶黄则属于 K 吸收低效型。在
本研究中，农大 202具有较高的电流密度，并因此具
有较强的吸收钾的能力。所以，本研究所得出的结
果与杨铁钊等的研究结论是可以相互印证的。由此
说明，根皮层原生质体内向 K 电流的大小，与烤烟
品种对 K 吸收能力 的高低密切相关，在一定程度
上决定了基因型的 K 营养效率。
烤烟钾含量的高低，对烤烟的外观质量与内在
质量有着十分重要的影 响。选育 钾高效 的烟草 品
种，对提高烟叶的质量及对土壤钾 的利用效率具有
重要的意义。而如何简便、快速、准确地筛选 出 K
营养效率高的基因型，则一直是人们所研究的课题。
本研究通过对 4个烤烟基因型的根皮层原生质体全
细胞内向 K 电流 的研 究发现 ，内 向 K 电流的大
小，与烤烟品种对 K 吸收能力及 K 营养效率具有
十分密切的关系，可以作为一个比较可靠的参考鉴
定指标 ，指导 K 营养高效的基 因型的筛选与鉴定 。
参考文献 ：
Epstein E，Rains DW ，Elzam OE．1963．Resolution of dual mecha—
nism of potassium absorption by barley rootsEJ]．Pro Nat Acad
Sci USA ，49：684— 692
TX(李廷轩)，Ma GR(马国瑞)．2003．Screening grain amae—
anths for genotypes of the capability of enrichment in potassium
(籽粒苋富钾基因型筛选研究)[J]．Plant Nut Fert Sci(植物
营养与肥料学报)，9(4)：473—479
Liu WQ(刘卫群)，Wang wM(王卫 民)，Shi YC(石永春)，et a1．
2005． The character of inward K+-channels in the plasma
membrane from tobacco root cortex protoplasts(烟草根皮层原
生质体质膜钾通道的特性研究)EJ]．J Wuhan Bot Res(武汉
植物学研究)，23(6)：524—529
LU FT(吕福堂)，Zhang XS(张秀省)，Zhang BH(张保华)，et a1．
2005．Study on the ability of potassium absorption and tolerant
to low potassium for different genotype maize(不同玉米基因型
吸钾和耐低钾能力 的研究)[J]．PlantNut Sci(植物营养
与肥料学报)，11(4)：556—559
Niu PL(牛佩兰)，Shi Y(石屹)．1996．Study on the diference of
potassium eficiency between tobacco genotypes(烟草基因型问钾
效率差异研究初报)口]．Tob Sci Tech(烟草科技)，(1)：33—35
Xu J，Li HD，Chen LQ，et a1．2006．A protein ldnase，interacting
with two calcineurin B-like proteins．regulates K+ transpo rter
AKT1 in Arabidopsis[J]．Cell，125：1 347—1 360
Yang TZ(杨铁钊)，Chao FC(晁逢春)，Ding YL(丁永乐)，et a1．
2002．Analysis on potassium accumulation characteristics and
genetic variation in tobacco leaves(烟草不同基因型叶片钾积累
特性及变异分析)[J]．Acta Taba Sin(中国烟草学报)，9(3)：
l1— 16
Yang 1、Z(杨铁钊 )，Fan JH(范进华 )．2006a．The roots charac—
teristics of different genotype flue-cured tobacco varieties in ab-
sorption potassium(不同基因型烤烟品种吸收钾差异的根系特
性研究 )EJ]．Acta Agric Boreal-Occident Sin(西北 农业学
报)，15(3)：41—44
Yang TZ(杨铁钊)，Peng YF(彭玉富)．2006b．Potassium accu—
mulation characteristics of rich-potassium genotypic flue-cured
(下转第 447页 Continue on page 447)
4期 魏鲁明等 ：革叶石豆兰—— 中国兰科植物一新记录种 447
mm；花淡黄绿色 ，质地较厚 ；中萼片长卵形 ，长 3—4
mm，中部宽 2 mm，先端渐尖 ，具 3条 脉，仅 中脉淡
紫色且到达 先端；侧萼 片斜 卵状 三角 形 ，长 3—4
mm，中部宽 2 mm，基部贴生在蕊柱足上，先端近急
尖，3条与中萼片相似的脉。花瓣极小 ，椭圆状披针
形，长约 1．5 mm，宽 0．5—1 mm，先端近急尖，具 1
条脉 。唇瓣 肉质，舌形，基部具凹槽并且与蕊柱足末
端连接而形成活动关节，从中部向下弯，长约 2 mil，
宽 1—1．5 mm，先端钝 ，多少被乳突；蕊柱粗短，蕊柱
齿近镰刀状；药帽舌状 ，被乳突。花期 1O月。
China．Guizhou(贵州 )：Libo(荔波)，Maolan
Nature Reserve(茂兰 自然保护区)，Sanchahe(三岔
图 1 革叶石豆兰
Fig．1 Bulbophyllum xylophyllum Par．et Rchb．f
1．生境Habitat；2．花序 Inflorescence。
河)，Qinglongtan(青龙潭)，on broad—leaved trees，
along a ravine(河旁的阔叶树干上)，alt．530 m．
2006—10—19，L．M．Wei(魏鲁 明)Mao—Lan一105(茂 一
兰 一105)(PE)．
参考文献 ：
吉占和，陈心启，罗毅波 ，等．1999．中国植物志(第 19卷)[M]
北京：科学出版社：164—257
(上接第 533页 Continue from page 533)
tobacco(富钾基 因型 烤烟钾 积 累特征研 究)[J]．Plant Nut
Fert Sci(植物营养与肥料学报)，12(5)：750—753
Yu CJ(于川江)，Wu WH(武维华)．1999．Analysis of characteris—
tics of in-ward potassium channels on Arabidopsis root cortex cel
plasma(拟南芥根皮层细胞质膜内向 K+通道 电生理特性分析)
[J]．& in China SetC(中国科学，C辑)，29(3)：316-323
ZhaoXQ(赵 学强 )，Jie XL(介 晓磊 )，Li YT(李 有 田)，et a1．
2006．Study on potassium uptake kinetics by diferent genotype
wheat(不同基因型小麦钾离子吸收动力学分析 )[J]．Plant
King G，Pantling R．1898．The Orchids of Sikkim-Himalaya[J]．
Annals oJ the Royal Botanic Garden Calcuta，8：67—96
Seidenfaden G．1973．Notes on Cirrhopetalum Lindl[J]．Dansk
Botanisk Arkiv，29(1)：7—260
Seidenfaden G．1979．Orrehid Genera in ThailandⅧ．Bulbophyl—
Ium Thou[J]．Dansk Botanisk Arkiv，33(3)：7—223
Seidenfaden G．1992．The 0rchids of Indochina[J]．Opera Botan—
ica。114：26— 317
Nut Fer Sci(植物营养与肥料学报)，12(3)：307—312
Zh0u YB(周应兵)，Ljn GP(林 国平)，Bi HL(毕洪来)，el a1．1998．
Identifcation of tobacco gerrnplasrns of high-accumulated potassi—
urn(钾积累高效烟草种质资源的鉴定)[J]．J Anhui Agro Teach
Coil(安徽农业技术师范学院学报)，12(3)：21—25
Zou CQ(邹春琴)，Li gS(李振声 )，Li JY(李继云)．2002．Char-
acteristics of potassium nutrition of six wheat cultivars at differ—
ent growth stages(钾利用效率不同的小麦品种各生育期钾营
养特点)[J]．SciAgric Sin(中国农业科学)，35(3)：340-344