水稻鉀素營養的基因型特征及分子機制初探①

趙鵬姝，楊順瑛，郝東利，蘇彥華*

水稻鉀素營養的基因型特征及分子機制初探①

趙鵬姝1,2，楊順瑛1，郝東利1，蘇彥華1*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

理解水稻()的鉀素營養特征是提高水稻的鉀素利用效率及其生產效應的重要環節。本文針對土壤鉀素供應的時空非均勻性，采用水培和分根模擬試驗，研究了日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4) 4個水稻基因型品種的鉀素營養特征。結果表明：低鉀(0.1 mmol/L K+)或高鉀(5 mmol/L K+)條件均會顯著抑制水稻的生長。與高鉀條件相比，NB和GD4在低鉀及正常供鉀(1 mmol/L K+)水平下即可保持較高的生物量，推測NB和GD4有更強的鉀吸收及轉運能力。分根供鉀試驗表明，4種基因型水稻缺鉀一側的根長和根表面積均受到誘導，而地上部生物量與全根供鉀時沒有明顯差異，說明局部根系供鉀即可滿足水稻生長需求。進而以NB為材料，通過實時熒光定量PCR，發現水稻根內鉀轉運基因主要定位于根部，且受高鉀和低鉀抑制，地上部鉀分配基因主要定位于地上部且受高鉀誘導，根–莖鉀傳輸系統基因主要定位于距根尖大于1.5 cm的成熟區，且在根部的表達豐度受低鉀誘導；水稻傷流試驗結果表明，低鉀條件下傷流液的強度和組分與根–莖傳輸基因的表達特征有較好的吻合度，推測基因可能在根–莖鉀轉運過程中發揮重要作用。

水稻；鉀；生理響應；鉀轉運；分子機制

鉀(K)是作物生長發育所必需的關鍵礦質營養元素。作為含量最豐富的陽離子，植物細胞內的鉀離子濃度通常在100 mmol/L 以上，占植物體干重的2% ~ 10%。在鉀營養充足的條件下，植物體內的含鉀量一般可高達其干重的4% 以上[1]，而富鉀植物如空心蓮子草等，植株含鉀量甚至可達13%[2]。與另外兩種大量營養元素氮、磷不同，鉀不直接參與植物體內蛋白質、核酸、多糖等生命物質的組成，其生理功能主要體現在基于該離子的運動和平衡所產生的調控作用上。細胞內鉀濃度直接控制細胞的體積和膨壓，對細胞、組織的伸長及韌性有重要調控作用，與植物體內水分的保持和抗旱性關系極為密切，并且對病蟲害等侵害提供物理屏障和機械抗性[3]。與鉀素作為重要調控元素的生理作用相對應，植物鉀素營養的關鍵環節除了根系從土壤中吸收、獲取鉀素之外，鉀素在植株體內各部位的高效轉運和分配過程也尤為重要。

土壤是植物根系獲取鉀營養的主要來源。我國土壤鉀素及有效鉀含量隨地形、土壤質地、氣候條件和土壤發育程度呈由北至南而遞減的趨勢[4]。我國耕地土壤缺鉀面積達60% 左右，南方水稻主產區由于高溫多雨、淋溶作用等土壤缺鉀面積高達 70% 以上，其中近90% 的水稻土處于鉀虧缺狀態[5-6]。土壤供鉀不足會導致作物產量和品質的降低[7-8]、根系早衰和抗逆性下降，易感染病蟲害和出現倒伏現象[9-10]。因此，保證鉀素供應是水稻等作物高產和優質的重要環節。諸多研究表明，稻田增施鉀肥能夠顯著提高水稻產量及品質[11-12]。在我國鉀肥資源供應嚴重不能自給的背景下，通過生理學研究和分子生物學手段，掌握作物的鉀素營養規律，針對鉀素利用的關鍵環節挖掘關鍵基因資源，是目前鉀素養分優化管理以及對作物進行鉀高效分子調控的重要環節之一。

通常，植物對土壤鉀素的吸收、利用過程可分為3個階段：①根系表皮吸收土壤中的鉀離子；②鉀在根內及根–地上部的傳輸；③鉀在地上各組織部位的分配及行使調控功能(如氣孔運動)[13]。這些過程分別由定位于細胞質膜上的相應鉀轉運體和鉀離子通道來承擔。在模式植物擬南芥中，根系從土壤中吸收鉀離子及鉀由根表向內部組織的轉運主要是通過鉀轉運系統如高親和鉀轉運體(KUP)及鉀離子通道基因來完成[14-15]；其中，KUP主要負責根系從土壤吸收鉀離子[14]，而基因主要介導鉀離子在植物根內的轉運[15-16]。外排型鉀通道擬南芥基因主要定位于根的韌皮部，其作用是將根中的鉀由韌皮部分泌至木質部，進而實現鉀離子經由木質部的根–莖長距離運輸[17]。缺失該通道活性導致擬南芥植株地上部含鉀量降低約50%[17]。此外，基因的表達豐度受脫落酸(ABA)抑制，隨著ABA處理時間的延長，幾乎檢測不到基因的存在，暗示ABA有可能參與鉀離子所介導的滲透調節且在調控植物生長方面起著重要作用[17]。在地上部，鉀的再運輸或分配主要由雙向整流型鉀通道基因負責。主要在擬南芥包括根、莖、葉柄、花及葉片的韌皮部表達，通過介導鉀離子在其中的裝載和卸載從而實現鉀離子在植株各部位的分配[18]。作為鉀離子調控功能的典型例證，擬南芥保衛細胞中的和基因共同介導鉀離子的吸收，其運作的結果使得保衛細胞鉀離子積累，細胞膨壓增大而促使氣孔開放[19]。與此相反，外排型鉀通道的運作則降低保衛細胞的鉀濃度從而關閉氣孔[20]。

上述過程在擬南芥中已經比較明晰，而在水稻中目前僅限于類似的推測，還缺乏相應的實驗證據。同時，與擬南芥相比，水稻中的KUP和鉀通道蛋白則更為眾多，預示其作用機制可能更為復雜。本文通過水培試驗研究了不同供鉀強度對4種基因型水稻日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)生長特性及養分吸收的影響，同時通過分根試驗探究了根系局部供鉀條件下水稻的生長狀況，進而以日本晴為材料通過實時熒光定量PCR研究了水稻鉀傳輸/轉運通道基因、和的表達定位及其對外界供鉀水平的響應特征，通過傷流試驗探索了低鉀條件下水稻根莖鉀傳輸能力與基因之間存在的可能關聯，為理解水稻鉀的體內轉運過程提供有益的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及培養條件

試驗所用的4種基因型水稻品種分別為模式品種日本晴(NB)和生產品種武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)。水稻種子經NaClO (2.5%，/)溶液消毒 30 min，再用蒸餾水清洗6 ~ 8次去除種子表面的消毒液，于37℃培養箱浸種24 h使種子充分吸水后，均勻放置于尼龍網上暗處萌發6 d；挑選長勢一致的幼苗，3顆1束移栽于盛有8 L國際水稻完全營養液(IRRI 營養液)的周轉箱中培養1周。周轉箱四周及底部噴黑漆，以防藻類生長。IRRI 營養液配方：1.25 mmol/L NH4NO3, 0.3 mmol/L KH2PO4，0.5 mmol/L K2SO4，1 mmol/L CaCl2，1 mmol/L MgSO4·7H2O，0.5 mmol/L Na2SiO3·9H2O，20 μmol/L EDTA-Fe，20 μmol/L H3BO3，0.32 μmol/L CuSO4·5H2O，9 μmol/L MnCl2·4H2O，0.77 μmol/L ZnSO4·7H2O 和 0.39 μmol/L Na2MoO4·2H2O，用HCl調pH至5.5[21]。

溫室培養條件：27℃/25℃(晝/夜)，16 h/8 h(光照/黑暗)，相對濕度70%，光強為400 μmol/(m2·s )。并于移苗后的第3天、第5天及第7天更換營養液，第7天選則長勢一致的水稻苗分別于1 mmol/L CaSO4溶液(1 min)及蒸餾水中沖洗，以除去附著于根表面的離子，然后置于裝有不同鉀處理的IRRI 營養液的1.2 L PVC桶中進行培養，每桶4穴。

1.2 試驗設計

水培試驗：設置3個鉀水平處理：低鉀(LK，0.1 mmol/L K+)，即在缺鉀的IRRI營養液中加入所需濃度的KCl，并用NaH2PO4代替KH2PO4，其他成分保持不變，其余處理鉀處理方式相同；高鉀(HK，5 mmol/L K+)；正常鉀(MK，1 mmol/L K+)，即中鉀，為對照。每2 d更換1次營養液，處理10 d后收樣。樣品根系用1 mmol/L CaSO4及蒸餾水依次清洗干凈，每處理收3個重復，將地上部和根部剪開，在烘箱中 105 ℃殺青30 min，接著75 ℃左右烘72 h，稱干重后再粉碎樣品，用于鉀含量測定。

分根試驗：取上述正常鉀濃度培養條件下生長1周且長勢一致的水稻苗用于分根試驗。水稻苗生長于IRRI營養液(不含鉀)，兩側根系處理分別為：①+K(5 mmol/L KCl)；②–K(5 mmol/L NaCl)，其他養分均同完全營養液。每個分根培養箱種6穴，每穴8 棵苗。分根處理兩側營養液均為 6 L，每 2 d 換1次，處理 10 d 后取樣測定總根長和根表面積。

基因表達試驗：取上述正常鉀濃度培養條件下生長1周且長勢一致的日本晴水稻苗進行低鉀(LK，0.1 mmol/L K+)、正常鉀(MK，1 mmol/L K+)、高鉀(HK，5 mmol/L K+)處理4 d和7 d后，將水稻地下部樣品分整體根、根段(0 ~ 1.5、1.5 ~3.0、>3.0 cm)及根莖連接處收樣；并于處理當天早上9：00對樣品進行ABA處理(完全營養液中加入ABA至濃度為10 μmol/L)，分別于處理0、2、4、8、12、24、72 h不同時間點收取水稻根樣，迅速置于液氮中速凍，–80 ℃保存備用，用于進行不同鉀離子通道基因在各個部位的表達試驗。

傷流試驗：收集水培試驗中低鉀處理4 d和7 d的水稻傷流液。具體為：于當日17：00距離根莖結合處約2 cm處用刀割去上部水稻莖稈，并用脫脂棉擦干切口液后，再用裝有脫脂棉的自封袋套于剩余莖稈上，并保持脫脂棉和切口充分接觸，放于黑暗環境中收集，于次日早上9：00取回稱重。脫脂棉吸收傷流液前后重量差即為傷流量[22]。于裝有脫脂棉的自封袋中加入適量蒸餾水，揉捏混勻后，用帶有濾芯的注射器擠出傷流液保存，用于進一步分析傷流液中ABA含量和鉀含量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 ABA含量及鉀含量的測定 傷流液中的ABA含量使用MALLBIO公司提供的植物激素脫落酸(ABA)試劑盒MBE21031進行測定。不同基因型水稻在不同鉀濃度處理下地上部、根部及傷流液中鉀含量通過HG-5型火焰光度計(北京檢測儀器有限公司)測定[23]。

1.3.2 水稻根系活力的測定 用傷流強度評估根系活力，計算公式為：傷流強度=傷流液中鉀含量/(烘干根重×時間)。傷流液的收集時間為16 h，傷流液收集完成后將根系放于烘箱烘至恒重并稱量。

1.3.3 根表面積及根長的測定 通過Epson根系掃描儀獲取分根試驗中+K和–K處理10 d的水稻根系圖像，通過WinRHIZO軟件分析獲得其根長及根表面積指標。

1.3.4 水稻鉀通道基因檢索與引物設計 從水稻基因組網站(http://rice.pla ntbiology.msu.edu)檢索得到,及的cDNA序列，采用 Primer 5軟件及NCBI網站Primer-BLAST工具設計引物(表1)。采用Plant CARE (http: //bioin-formatics. psb. ugent.be /webtools /plantcare /html/)[24]對水稻SKOR 啟動子順式作用元件進行預測分析。

1.3.5 水稻樣品RNA提取及鉀通道基因表達量的檢測 用 Trizol法提取不同鉀濃度及ABA處理基因表達試驗水稻各個部位樣品 RNA，使用超微量核酸蛋白測定儀 Nanodrop 2000(北京芯起點基因科技) 測定RNA濃度，并用甲醛變性膠電泳檢測RNA質量。甲醛變性膠的制備：稱取0.72 g Agarose于三角瓶中，加入Running buffer(10×)及DEPC水，于微波爐溶解，待降溫至60 ℃，于通風櫥中加入甲醛溶液，此時溶液體積約60 ml，充分搖勻后倒板。RNA電泳樣品制備：于1.5 ml離心管中加0.5 μg RNA樣品及5 μl的Mix混合液，并用DEPC水補充至13 μl，混勻后65 ℃金屬浴加熱10 min，冰上冷卻后用于電泳檢測。電泳條件：80 V，1 h。

反轉錄及基因擴增：采用 Prime Script RT reagent Kit (Takara)將RNA反轉錄為cDNA，用于基因轉錄表達的半定量及定量檢測。用2×Phanta Master Mix(Vazyme)進行半定量的PCR 擴增檢測，用LightCycler480Ⅱ熒光定量PCR儀(羅氏公司)對基因表達進行定量檢測，內參基因選用(Os03g 50885)，基因相對表達量用 2–ΔΔCt公式計算。

1.4 數據處理

數據統計分析使用SPSS 16.0，用T-test 進行顯著性檢驗，采用 Sigma Plot 13.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同供鉀水平對4種基因型水稻生長的影響

不同供鉀水平的水培試驗結果表明，高鉀條件(HK)對4種基因型水稻的生長都有不同程度的抑制作用，地上部和根部生物量與正常供鉀條件(MK)相比均顯著降低(圖1)。高鉀條件下根部生物量降低的幅度在不同基因型水稻中差異不大，均為30.0% 左右(圖1A)。地上部生物量降低幅度最大的是GD4，達 43.6%，降低幅度最小的是NB，為 22.4%(圖1B)。與高鉀條件相比，WYJ18及NG在低鉀及正常供鉀條件下的生物量較低，而NB和GD4在3個鉀水平下生物量均較高(圖1)。

2.2 不同供鉀水平對4種基因型水稻植株含鉀量的影響

圖2A結果表明，4種基因型水稻根部的含鉀量在正常供鉀條件下最高，而在高鉀和低鉀條件下其含鉀量都明顯下降。與正常供鉀相比，低鉀處理時4種水稻的根部含鉀量均降低了約4.5倍；而高鉀處理的根系含鉀量降低約40%(圖2A)。然而4種基因型水稻的地上部含鉀量則隨外界供鉀濃度的增加呈現出較一致的顯著增加趨勢(圖2B)。其中正常供鉀時，4種水稻的含鉀量是低鉀條件時的2.5倍；繼續增加供鉀濃度(HK)，地上部含鉀量僅呈略有增加趨勢(增幅均15%)(圖2B)。這一結果表明，水稻根系對供鉀濃度較為敏感，缺鉀或過量供鉀不利于水稻生長。在同一供鉀水平下，無論是在根部還是地上部，4種水稻的含鉀量均無顯著差異(圖2A和2B)。而在鉀素利用效率方面，4種水稻在正常供鉀條件下的鉀積累量達到最高，其中NB和GD4的鉀積累量較WYJ18和NG增加了近1倍(圖2C)，結合圖1B結果，NB及GD4在低鉀條件下即可保持較好的生長，推測NB和GD4較WYJ18和NG有更強的鉀吸收及轉運能力。

2.3 根系非均勻供鉀對不同基因型水稻生長的影響

將在正常供鉀條件下生長一周的水稻苗根系均分為兩部分置于分根根系生長箱中，一側供鉀(5 mmol/L K+)，一側缺鉀處理10 d，結果表明，缺鉀一側4種基因型水稻的根系生長均比供鉀側更快。與供鉀側相比，不同基因型水稻在缺鉀側的總根長均顯著增加(圖 3A)。同時根表面積的變化趨勢與總根長的變化趨勢一致，缺鉀側的根表面積顯著大于供鉀一側(圖 3B)，而分側供鉀時地上部的生物量與全根供鉀時沒有顯著差異(同圖1B)，說明根部分側供鉀對地上部生長的影響非常小，根系局部供鉀即可滿足水稻生長需求。

2.4 水稻鉀離子通道OsKAT1;1、OsAKT2/3及OsSKOR基因對外界不同供鉀水平的響應特征

以NB為研究材料，通過實時定量PCR研究表明，內向型鉀離子通道基因主要定位于根部(圖4A)，基因主要定位于地上部(圖 4C)，其中基因在地上部的表達豐度受高鉀的誘導，增幅約1倍，而在低鉀下的表達豐度與對照相比無顯著差異(圖4D)。在根部，基因在正常供鉀條件下的表達豐度最高(圖 4B)。而外向型鉀離子通道則主要在水稻的根系表達(圖 4E)，進一步的根系分段定量PCR結果表明，基因主要在距根尖大于1.5 cm的成熟區表達(圖 4G)，且在根部的表達豐度受低鉀誘導(圖 4F)，而對高鉀的響應不敏感，推測很可能是一個在低鉀環境中起重要作用的鉀離子通道基因。

2.5 低鉀條件下水稻根系活力及傷流液中鉀含量、ABA含量及與OsSKOR的關聯

在擬南芥中，基因在根莖鉀傳輸過程中發揮著極其關鍵的作用[17]。為進一步了解基因在低鉀條件下可能發揮的作用，本研究通過傷流試驗評估了NB水稻在低鉀處理后的根系活力，同時測定了傷流液組分中的ABA含量及鉀含量。結果表明，隨著低鉀處理時間的延長，根系活力逐漸降低，與處理4 d相比，處理7 d后的水稻根系活力降低了約50%(圖5A)；低鉀處理7 d后，傷流液中ABA含量是低鉀處理4 d的3倍(圖5C)，而鉀含量比低鉀處理4 d降低約1倍(圖5B)，隨低鉀處理時間的延長，傷流液中ABA含量與鉀含量呈相反的變化趨勢。與此同時，基因的表達豐度卻隨著低鉀處理時間的推移而下降(圖5D)，暗示缺鉀條件下，水稻體內積累的ABA可能與參與鉀離子從根向莖傳輸過程中的鉀離子通道基因存在緊密聯系。

2.6 OsSKOR基因的啟動子結構及外源添加ABA對OsSKOR表達豐度的影響

啟動子作為調控基因表達的重要順式作用元件，在基因表達過程中具有重要作用。本研究使用啟動子分析軟件對基因起始密碼子ATG 上游1.8 kb 的序列進行了預測，結果顯示，基因啟動子內除含有必需的核心元件CAAT-box 和TATA-box 外，還存在對ABA響應的ABRE元件(圖 6A)，預測ABA可能調控基因的轉錄水平。ABA作為一種脅迫激素，在低溫、高溫、干旱和鹽害等多種脅迫下，植物體ABA含量大幅度升高。進而，為進一步證實ABA含量與基因轉錄豐度的直接關系，本研究在正常供鉀水平(對照)中添加10 μmol/L ABA，研究ABA處理不同時間后水稻根系樣品基因表達量的變化。提取RNA并通過定量PCR研究發現，與對照相比，使用兩對引物的平行定量試驗結果均表明，ABA顯著抑制基因的表達，隨著處理時間的延長，其表達豐度顯著降低 (圖6B和6C)。這些結果表明，低鉀條件下，ABA很可能在鉀從水稻根部向地上部的傳輸過程中扮演著重要角色，相關研究需要進一步證實。

3 討論

鉀是植物生長最關鍵的礦質營養元素之一，在植物生長發育的各個時期都發揮著關鍵作用。在我國耕地土壤普遍缺鉀的背景下，由于長期耕作過程中施肥量、肥料種類及施肥方式的差異，促使土壤鉀的供應強度及空間分布存在非均勻性[4]。

本研究以日本晴(NB)、武育粳18(WYJ18)、南光(NG)及桂單4號(GD4)四種基因型水稻為材料模擬根系鉀不均勻分布狀況，發現4種不同基因型水稻缺鉀一側的根系總根長和根表面積均顯著高于供鉀側，這與王為木等[8]研究發現水稻根系在缺鉀時變長且側根增多結果一致。不均勻供鉀時水稻地上部生物量與全根供鉀沒有顯著差異，根系局部供鉀即可滿足水稻正常的生長需求，由此可以說明，田間施肥方式側施等不影響水稻的生長。通過水培試驗對4種基因型水稻供應不同鉀水平的研究發現，4種水稻在正常供鉀(1 mmol/L K+)條件下生物量達到最高，這與薛欣欣和李小坤[25]報道的水稻品種豐兩優香 1 號和兩優 6326在中等鉀肥供應水平下其地上部干物質量即可達到較高水平的結果一致；鉀積累量在正常供鉀條件下達到最高，而高鉀(5 mmol/L K+)條件反而抑制水稻生長及鉀的積累，由于NB和GD4在低鉀及正常供鉀條件下均能保持較高的生物量，推測NB和GD4具有高效利用養分產生生物量的能力。

植物通過根系從土壤中吸收獲取鉀營養，再將鉀分配到各個部位，主要是由定位于細胞膜上的鉀轉運體及鉀通道完成[26]。本研究以NB為研究材料，初步分析了水稻鉀離子通道、及基因的定位及其對外界不同供鉀狀態的響應特征，結果表明，基因主要定位于根部，其表達受高鉀和低鉀抑制，在正常供鉀條件下表達豐度最高。基因在地上部的表達豐度受高鉀供應的誘導，其作用機理有待進一步深入研究。而基因與已經報道的基因高度同源[17]，在根部特異性表達，與Kim等[27]對其定位研究結果一致，且其表達豐度受外界低鉀的誘導，推測是一個在外界低鉀環境中起關鍵作用的基因。根系傷流不僅可以作為根系活力的重要指標，也是植物體內溶質從根向莖傳輸能力的體現[28]，本研究通過傷流試驗初步探討了低鉀條件下水稻的根系活力及傷流鉀含量與基因之間的關系，發現隨低鉀處理時間的延長傷流液中ABA含量增加；同時傷流強度及鉀離子含量隨處理時間的延長而降低，基因的表達量也同步降低。一方面，長時間缺鉀會影響根系活力，基因的表達豐度降低，導致從根部轉運到地上部的鉀減少，暗示基因在水稻根莖鉀傳輸過程中起關鍵作用，很可能與已經報道的基因的功能一致[17]；另一方面，長時間缺鉀導致ABA含量大幅度增加，而外源添加ABA顯著降低了基因的表達豐度。推測在水稻中，ABA很可能參與調控了基因介導的根莖鉀傳輸過程。水稻傷流液中含鉀量與ABA含量之間的變化關系與本研究發現基因在低鉀下起著更關鍵的作用及前人研究發現基因鉀外排能力受ABA抑制的結果相吻合[17]，推測水稻傷流液中觀察到的現象可能與基因的功能有關。鑒于基因在根莖鉀傳輸環節及其在低鉀脅迫中可能發揮的重要作用，進一步深入研究其功能并充分發揮其用鉀能力很可能是一項行之有效的提高作物鉀素利用效率的措施。

4 結論

1)高鉀條件可抑制4種基因型水稻地上部和根部生物量，根部生物量降低幅度均為30% 左右，地上部生物量降低幅度最大的是GD4，達 43.6%，降低幅度最小的是NB，為 22.4%。與高鉀條件相比，WYJ18及NG在低鉀及正常供鉀條件下的生物量較低，而NB和GD4在3個鉀水平下生物量均較高；與正常供鉀相比，4種基因型水稻低鉀處理時根部含鉀量均降低了約4.5倍，高鉀處理的根系含鉀量降低約40%，地上部含鉀量隨外界供鉀濃度的增加呈現出較一致的顯著增加趨勢；4種不同基因型水稻不均勻供鉀時缺鉀一側的根系總根長和根表面積均顯著高于供鉀側。

2)NB水稻鉀離子通道基因主要定位于根部，其表達受高鉀和低鉀抑制，在正常供鉀條件下表達豐度最高；基因在地上部的表達豐度受高鉀供應的誘導；基因在根部特異性表達，且其表達豐度受外界低鉀的誘導。

3) 低鉀處理時間延長，根系活力逐漸降低，處理7 d比處理4 d的水稻根系活力降低了約50%，低鉀處理7 d后，傷流液中ABA含量是低鉀處理4 d的3倍，鉀含量比低鉀處理4 d降低約1倍，基因的表達豐度卻隨著低鉀處理時間的推移而下降。

4)基因啟動子內存在對ABA響應的ABRE元件，隨著ABA處理時間的延長，基因的表達豐度顯著降低。

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Genotypic Characteristics and Molecular Mechanism of Potassium Nutrition in Rice

ZHAO Pengshu1,2, YANG Shunying1, HAO Dongli1, SU Yanhua1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Understanding potassium nutrition characteristics of rice is an important step to improve the potassium utilization efficiency and production effect of rice. Aims at the temporal and spatial heterogeneity of soil potassium supply, in this study, Nipponbare (NB), Wuyujing 18 (WYJ18), Nanguang (NG) and Guidan 4 (GD4) four genotypes of rice were used to evaluate the potassium response characteristics by using hydroponic and root division simulation tests. The results showed that insufficient potassium (0.1 mmol/L K+) or excess (5 mmol/L K+) significantly inhibited rice growth. NB and GD4 maintained high biomass under low and normal potassium (1 mmol/L K+) supply levels compared with high potassium conditions, possibly attributed to the stronger potassium absorption and transport capacity of NB and GD4. Root division experiment simulated the uneven distribution of potassium showed root lengths and surface areas of the four genotypes were induced on potassium-deficient side, but no significant difference was found between the aboveground biomass compared with the total root potassium supply, indicating the partial potassium supply also can meet the growth requirements of rice. NB was used to study the expression position by using real-time quantitative PCR, and it was found that potassium transport genein rice roots is mainly located in the roots and inhibited by high and low potassium. The above-ground potassium distribution geneis mainly located in the shoots and induced by high potassium. The root-stem potassium transport systemis mainly located in a mature region with a root tip greater than 1.5 cm, and the expression abundance at the root was induced by low potassium. The result of rice injury test showed that the strength and composition of the wound fluid had a good agreement with the expression of root-stem transfer geneunder low potassium condition, suggestingmay play an important role in root-stem potassium transport.

Rice; Potassium; Physiological response; Potassium transport; Molecular mechanism

Q786；Q945.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.006

趙鵬姝, 楊順瑛, 郝東利, 等. 水稻鉀素營養的基因型特征及分子機制初探. 土壤, 2021, 53(1): 37–46.

國家自然科學基金項目(31672230)資助。

(yhsu@issas.ac.cn)

趙鵬姝(1993—)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事植物營養分子生理研究。E-mail: pszhao@issas.ac.cn