植物鉀吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的關(guān)系

植物鉀吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的關(guān)系

植物的長(zhǎng)期發(fā)展通過(guò)改變k的濃度（1）來(lái)獲得k營(yíng)養(yǎng)。尤其是Epstein等的開(kāi)創(chuàng)性工作,他假定K+吸收可以用經(jīng)典的酶動(dòng)力學(xué)描述。并將K+吸收分為2個(gè)機(jī)制:機(jī)制Ⅰ指K+吸收服從Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué),并在低外部K+濃度(0.001~0.2mmol/L)下起作用(高親和力);機(jī)制Ⅱ在高的外部K+濃度(1~10mmol/L,低親和力)。高親和力吸收為主動(dòng)機(jī)制,因?yàn)槲帐悄鍷+電化學(xué)勢(shì)梯度,可能與K+∶H+或K+∶Na+的協(xié)同運(yùn)輸相關(guān),低親和力吸收為經(jīng)由K+選擇性通道的被動(dòng)運(yùn)輸。K+運(yùn)輸?shù)纳韺W(xué)和生物物理學(xué)的研究極大地增加了我們對(duì)植物K+營(yíng)養(yǎng)的理解。然而在一個(gè)復(fù)雜的器官中(如根)嘗試闡明單個(gè)K+運(yùn)輸體的運(yùn)輸機(jī)制卻有種種限制。隨著分子生物學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展,對(duì)編碼K+通道、相關(guān)亞基和高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體的K+運(yùn)輸基因的克隆和特性鑒定,給研究K+營(yíng)養(yǎng)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新領(lǐng)域。1k通道和低親和力k的吸收1.1離子通道與膜電壓K+內(nèi)向通道K+in具有2項(xiàng)主要功能:1)為低親和力K+吸收提供一條途徑,吸收由H+泵建立的膜電壓驅(qū)動(dòng);2)調(diào)節(jié)膜傳導(dǎo)性和感受細(xì)胞內(nèi)外K+濃度梯度而影響膜電壓的控制。Wegner等的研究認(rèn)為,有2個(gè)外向離子通道負(fù)責(zé)木質(zhì)部的裝載卸載及長(zhǎng)距離信號(hào)。根的營(yíng)養(yǎng)吸收在到達(dá)地上部前需要運(yùn)輸?shù)侥举|(zhì)部。木質(zhì)部薄壁細(xì)胞包含3個(gè)陽(yáng)離子通道:KORC為K+外向整流通道;NORC為非選擇性外向整流陽(yáng)離子通道;KIRC為K+內(nèi)向整流通道。KORC調(diào)節(jié)K+從木質(zhì)部薄壁細(xì)胞釋放到導(dǎo)管中;NORC除了作為鹽分釋放到木質(zhì)部的通道外,還負(fù)責(zé)電信號(hào)和水信號(hào)的傳導(dǎo);KIRC調(diào)節(jié)K+從木質(zhì)部到周圍薄壁細(xì)胞的重新吸收。1.2植物k+通道基因迄今已從多種植物或同種植物的不同組織器官中分離到多種K+通道基因。它們具有不同的特性和作用。根和莖中皮層、根毛及木質(zhì)部、韌皮部的K+通道特別與K+吸收運(yùn)輸相關(guān)聯(lián)。植物中第一個(gè)鑒定的K+運(yùn)輸基因?yàn)镵AT1和AKT1。它們用來(lái)自擬南芥各種組織的cDNA庫(kù),通過(guò)缺乏K+運(yùn)輸體的酵母突變體功能互補(bǔ)的方法克隆得到。KAT1和AKT1cDNAs恢復(fù)了酵母突變體在低鉀(KAT1為200μmol/L)中生長(zhǎng)的能力。KAT1基因編碼K+通道的功能也可以從KAT1在非洲爪蟾屬光滑卵母細(xì)胞上的表達(dá)得到證實(shí)。用KAT1的mRNA注射的卵母細(xì)胞表現(xiàn)出較大的內(nèi)向K+電流。KAT1對(duì)K+具有高度的選擇性。對(duì)表達(dá)KAT1的酵母細(xì)胞的膜片鉗分析表明KAT1為超極化激活的內(nèi)向K+通道。擬南芥中克隆的AKT1基因能夠彌補(bǔ)酵母突變體的K+運(yùn)輸能力。AKT1編碼的蛋白運(yùn)輸K+的能力也在轉(zhuǎn)移互補(bǔ)酵母到無(wú)鉀介質(zhì)的試驗(yàn)中得到證實(shí)。根中低親和力K+吸收被認(rèn)為通過(guò)K+內(nèi)向整流通道進(jìn)行。通過(guò)膜片鉗分析和Km值判斷,在玉米和擬南芥的根皮層,小麥根表皮中有這類通道存在,使K+沿著一個(gè)方向向內(nèi)的K+電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)入根內(nèi)。KAT1被認(rèn)為是提供一種低親和力K吸收進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞的途徑,因而在氣孔開(kāi)放和關(guān)閉中伴演著重要角色。類似的K+通道基因KST1從馬鈴薯中克隆出來(lái)。KST1mRNA原位雜交表明其主要位于保衛(wèi)細(xì)胞,因此可能是KAT1在馬鈴薯中的一個(gè)功能性同源體。與KAT1不同,AKT1主要在根中表達(dá),特別是在成熟根表皮、皮層和內(nèi)皮層,這些部位有較大的K+內(nèi)流發(fā)生。AKT1負(fù)責(zé)從土壤中通過(guò)頂端根細(xì)胞以低親和力方式吸收K+。實(shí)驗(yàn)還表明,野生苗可從10μmol/L那樣稀的外部溶液中經(jīng)由AKT1被動(dòng)吸收K+。從擬南芥中分離出與先前識(shí)別的KAT1和AKT1基因高度同源的cDNA(AKT2)。AKT2在葉組織中而不是在根組織中高度表達(dá)。擬南芥中K+通道功能的多樣性可能是由于多個(gè)編碼K+通道的基因存在。LKT1從蕃茄根毛特化的cDNA庫(kù)中克隆出來(lái)RNA印跡分析表明,LKT1的mRNA在根毛中強(qiáng)烈表達(dá)。LKT1通道是AKT家族的一個(gè)成員。ZMK1和ZMK2是從玉米胚芽鞘中分離的K+通道基因。它們分別在皮層和脈管系統(tǒng)表達(dá)。兩者在卵母細(xì)胞中的表達(dá)表明,ZMK1通過(guò)外部酸化激活K+內(nèi)向整流通道,而ZMK2依電壓獨(dú)立性及質(zhì)子禁止性通道方式調(diào)節(jié)K+電流。AKT3為從擬南芥cDNA庫(kù)中分離出的K+通道基因,它主要在韌皮組織表達(dá)。用卵母細(xì)胞中的異源表達(dá)和電壓鉗分別研究其生理學(xué)功能和電特性,發(fā)現(xiàn)它只受膜勢(shì)的微弱調(diào)節(jié)。外部酸化通過(guò)減少單通道傳導(dǎo)性而減少了宏觀電流。AKT3通道可能參與了韌皮部裝載卸載過(guò)程中的K+運(yùn)輸。通過(guò)RNA凝膠分析和PCR技術(shù),從擬南芥中鑒定的2個(gè)基因AKT2和AKT3在源和庫(kù)的韌皮組織中均有存在。植物脅迫激素ABA能增加AKT2轉(zhuǎn)錄的數(shù)量,顯示AKT2對(duì)于干旱可能有某些反應(yīng)。Buschmann等從K+饑餓的小麥(Triticumaestivum)根中分離出TaAKT1cDNA。具有與擬南芥AKT1氨基酸順序76%的相似性,并具有植物內(nèi)向整流K+通道的結(jié)構(gòu)特征。因?yàn)橛?個(gè)錨蛋白重復(fù)序列是植物內(nèi)向整流K+通道AKT子家族獨(dú)有的特征,所以稱小麥中這個(gè)基因?yàn)門(mén)aAKT1。K+饑餓誘導(dǎo)TaAKT1的表達(dá)增加,膜片鉗分析也表明K+饑餓的小麥根中K+in電流增加。因此,TaAKT1通道介導(dǎo)小麥根中誘導(dǎo)的K+內(nèi)向電流。植物K+通道類型的差異表現(xiàn)在它們的電壓、Ca2+和pH依賴性方面。這些特性主要由通道孔區(qū)表現(xiàn)出來(lái)。Hoth將KST1(內(nèi)向整流、酸性激活)與AKT3(弱電壓依賴性、質(zhì)子阻塞)相拼接,AKT3的第216-287氨基酸與KST1的217-289氨基酸同源區(qū)相交換,結(jié)果所嫁接的基因?qū)ν獠縫H和Ca2+調(diào)節(jié)的電壓依賴性整流特性由孔區(qū)決定。Dietrich等研究了不同物種之間離子通道的差異,比較了馬鈴薯、煙草和大豆的保衛(wèi)細(xì)胞鉀離子通道陽(yáng)離子選擇性和動(dòng)力學(xué)。指出這些通道具有的共同特征包括電壓依賴性、選擇性和單通道傳導(dǎo)性;它們?cè)诔瑯O化時(shí)激活。馬鈴薯中通道密度比其它2種高,但其激活和失活動(dòng)力學(xué)較其它2種慢。在不同的單價(jià)陽(yáng)離子之間,這些通道對(duì)K+具有高度的選擇性。外部Ca2+濃度≥1mmol/L時(shí)阻塞大豆保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)向整流通道,但對(duì)于其它2種植物保衛(wèi)細(xì)胞離子通道只在Ca2+更高濃度和更負(fù)的膜勢(shì)才有影響。正如對(duì)于Ca2+敏感性的差異一樣,3個(gè)物種中的原生質(zhì)體對(duì)于外部pH改變的反應(yīng)也顯著不同。然而質(zhì)子既不改變大豆中通道的開(kāi)放頻率也不改變其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。另外2種中質(zhì)子卻強(qiáng)烈影響電壓依賴性。這些方面的差異反映了氣孔特性方面的物種變異。這給在研究K+從土壤中吸收及體內(nèi)運(yùn)輸相關(guān)的K+通道方面的基因型差異以啟發(fā)。2高親和力旋轉(zhuǎn)體和高親和力k吸收機(jī)制2.1k+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)體高親和力K+吸收基因的克隆標(biāo)志著植物K+營(yíng)養(yǎng)研究的巨大突破。HKT1也通過(guò)酵母CY162菌株功能性互補(bǔ)克隆得到,所用材料為K+饑餓的小麥根中分離的cDNA庫(kù)。所推斷的氨基酸順序可預(yù)測(cè)一個(gè)58.9KD的蛋白,具有12個(gè)跨膜域。HKT1在酵母細(xì)胞中表達(dá)的K+吸收動(dòng)力學(xué)表明它是一個(gè)高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體。在非洲爪蟾屬卵母細(xì)胞中的異源表達(dá)表明,HKT1mRNA在外部存在K+時(shí)引起較大的內(nèi)向電流。HKT1mRNA的定位表明,它均勻地分布在整個(gè)根皮層,它可能作為一個(gè)根原生質(zhì)膜高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體。HKT1也在莖和葉的維管組織中低豐度表達(dá)。Fairbairn從桉樹(shù)中分離出2個(gè)cDNAs,轉(zhuǎn)運(yùn)體基因EcHKT1和EcHKT2,它們?cè)谌~、莖和根中表達(dá)。這些編碼K+轉(zhuǎn)運(yùn)體的多肽與小麥HKT1同源,具有重要的生理學(xué)功能。擬南芥根毛的延長(zhǎng)需要特殊的K+轉(zhuǎn)運(yùn)。根毛在根部生毛細(xì)胞上突發(fā)后,尖端開(kāi)始生長(zhǎng)和出現(xiàn)極化的細(xì)胞質(zhì)組織,TRH1調(diào)節(jié)擬南芥根中K+的運(yùn)輸以及特化K+運(yùn)輸,這種特化運(yùn)輸對(duì)根毛延長(zhǎng)是必需的。從擬南芥和大麥中又發(fā)現(xiàn)新的植物K+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)體基因家族ATKT、HAK1,AtKUP。ATKUP1和ATKUP2能夠補(bǔ)充K運(yùn)輸缺陷的E.coli三倍突變體。充分表達(dá)AtKUP1的轉(zhuǎn)基因擬南芥懸浮細(xì)胞在外部微摩爾濃度時(shí)Rb+吸收增加,并具有一確定的Km,表明AtKUP1在體內(nèi)表現(xiàn)一個(gè)高親和力鉀吸收行為。RNA凝膠印跡分析表明,AtKUP家族中各成員有獨(dú)特的表達(dá)方式,其中AtKUP3轉(zhuǎn)錄水平在K饑餓條件下受到強(qiáng)烈誘導(dǎo)。人們推測(cè)植物包含多個(gè)K轉(zhuǎn)運(yùn)體執(zhí)行高親和力吸收,而AtKUP家族可能是重要成員,負(fù)責(zé)高和低親和力K營(yíng)養(yǎng)并吸收進(jìn)入各種類型植物細(xì)胞中。Fu稱AtKUP1為擬南芥中雙親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)體。當(dāng)從擬南芥中分離得到的功能性K+運(yùn)輸體的cDNA在一酵母突變體中表達(dá)時(shí),AtKUP1在低和高K+范圍都強(qiáng)烈地增加K+吸收能力。動(dòng)力學(xué)分析表明,AtKUP1調(diào)節(jié)的K+吸收顯示“雙相”模式,類似于在植物根中觀察到的。從高親和階段到低親和的轉(zhuǎn)變發(fā)生在100~200μmol/L外部K+濃度點(diǎn)。AtKUP1調(diào)節(jié)的K+吸收被K+通道阻塞劑TEA、Cs+和Ba2+禁止。AtKUP1主要在根中表達(dá),它可能從土壤中吸收K+。因此擬南芥根中AtKUP1基因產(chǎn)物可能在廣泛變化的土壤K+濃度情況下充當(dāng)K+轉(zhuǎn)運(yùn)體的角色。2.2植物高親水運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制擬南芥高親和力K+吸收的力能學(xué)強(qiáng)烈地暗示這是一個(gè)逆著K+電化學(xué)勢(shì)梯度的主動(dòng)過(guò)程。有人設(shè)想這種高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)體可能是類似于E.Coli中的K+-ATP酶。也許這個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)體是一個(gè)由H+-ATP酶提供能量的K+∶H+協(xié)同運(yùn)輸系統(tǒng)。但也可能以K+∶Na+共同轉(zhuǎn)運(yùn)形式。Maathuis和Sanders運(yùn)用膜片鉗分析研究擬南芥根原生質(zhì)膜中高親和力鉀吸收機(jī)制,發(fā)現(xiàn)在0~400μmol/L內(nèi),K+吸收與ATP或Na+相耦合,外界pH降低刺激K+的吸收,顯示K+內(nèi)流與質(zhì)子運(yùn)輸相關(guān)聯(lián),K+運(yùn)輸從質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)梯度中獲得能量,并認(rèn)為K+∶H+運(yùn)輸比率為1∶1。Schaehtman和Schroeder對(duì)酵母的研究認(rèn)為HKT1調(diào)節(jié)86Rb+吸收的速率可通過(guò)降低外部pH(從8到6~7)而增加。這些結(jié)果與植物高親和力K+運(yùn)輸以K+∶H+協(xié)同運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)論相吻合。然而Rubio等的研究認(rèn)為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制遠(yuǎn)未解決。他認(rèn)為HKT1調(diào)節(jié)的K+內(nèi)流受微摩爾水平的Na+刺激。明顯的表現(xiàn)是在卵母細(xì)胞中HKT1在缺乏Na+時(shí)不能調(diào)節(jié)K+的吸收而且HKT1調(diào)節(jié)的運(yùn)輸不受外部pH改變的影響。他認(rèn)為HKT1以K+∶Na+協(xié)同運(yùn)輸?shù)男问絽⑴cK+的吸收。高親和K+吸收通過(guò)K+/Na+耦合機(jī)制獲得所需的能量在水藻中觀察到。通過(guò)有無(wú)Na+存在時(shí)Rb+流和K+電生理學(xué)運(yùn)輸試驗(yàn),證明陸生植物K+的吸收與Na+不具有生理學(xué)相關(guān)性或者Na+禁止高親和K+吸收;然而在某些水生被子植物和水藻中這種第二運(yùn)輸獲取能量機(jī)制起著重要作用。3k+運(yùn)輸基因早期的K+吸收模型認(rèn)為在微摩爾范圍K+濃度時(shí),K+吸收進(jìn)入根為協(xié)同運(yùn)輸;高濃度即毫摩爾濃度時(shí)為通道運(yùn)輸。這種兩段論模式容易使人誤解為低濃度下只有高親和力系統(tǒng)運(yùn)作而高濃度時(shí)只有低親和系統(tǒng)運(yùn)作。第二個(gè)方面是吸收動(dòng)力學(xué)的飽和與線性組份之異議;第三個(gè)方面是復(fù)雜的吸收動(dòng)力學(xué)是由一單一運(yùn)輸體還是多個(gè)運(yùn)輸體導(dǎo)致或者二者均有表現(xiàn)。在低親和力KAT1,AKT1和高親和力HKT1的K+運(yùn)輸基因尚未克隆和定性之前,人們就普遍認(rèn)為K+復(fù)雜的吸收動(dòng)力學(xué)是由于植物中存在不同的K+轉(zhuǎn)運(yùn)體。同時(shí)也有人認(rèn)為復(fù)雜的K+吸收動(dòng)力學(xué)也可能是改變一個(gè)單一的運(yùn)輸體的性質(zhì)所引起的。K+運(yùn)輸基因的分子研究很難清楚地區(qū)分多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)體與單個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)體吸收動(dòng)力學(xué)。Chilcott等(1995)詳細(xì)地分析了非洲爪蟾屬卵母細(xì)胞中KAT1調(diào)節(jié)的K+運(yùn)輸,表明通過(guò)一單個(gè)運(yùn)輸?shù)鞍啄軌虍a(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。此動(dòng)力學(xué)過(guò)程可分解為一個(gè)可飽和的組分和一個(gè)線性一級(jí)組分。表達(dá)KAT1的酵母突變體CY162的單向K+(86Rb+)內(nèi)流示蹤也產(chǎn)生了復(fù)雜的濃度依賴性K+運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。酵母中KAT1的K+內(nèi)流動(dòng)力學(xué)在高的K+濃度時(shí)并不很好地與Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)參數(shù)相吻合,K+濃度超過(guò)1mmol/L時(shí)內(nèi)流動(dòng)力學(xué)也有線性組分。在根的研究中,確切的生理學(xué)證據(jù)表明可飽和組分和線性組分是由于不同的轉(zhuǎn)運(yùn)體造成的。然而,InmaculadaGarrido等人所做的試驗(yàn)并沒(méi)有觀察到任何線性組分的存在。2個(gè)K+運(yùn)輸系統(tǒng)均可達(dá)到飽和,即2個(gè)系統(tǒng)均服從Michaelis-Menten飽和動(dòng)力學(xué)。同時(shí),試驗(yàn)還豐富了經(jīng)典的雙系統(tǒng)論。研究了從微摩爾到毫摩爾濃度外界K+情況下向日葵苗根K+吸收的時(shí)間歷程:當(dāng)H+外排系統(tǒng)所創(chuàng)造的驅(qū)動(dòng)力(△pHi,o)還不足以允許系統(tǒng)I和系統(tǒng)II正常運(yùn)作時(shí),沒(méi)有K+吸收;此后,當(dāng)△pHi,o增加到一定值,高親和力系統(tǒng)I先開(kāi)始運(yùn)作,并且不依賴于外界K+濃度大小;當(dāng)系統(tǒng)I達(dá)到最大速率進(jìn)入飽和吸收并且外界K+濃度足夠滿足(一般認(rèn)為在1mmol/L以上)系統(tǒng)II的運(yùn)作時(shí),系統(tǒng)II才開(kāi)始,而且外界K+濃度越高開(kāi)始得越早。當(dāng)連續(xù)的H+外流造成pHo下降且△pHi,o增加,系統(tǒng)II也能在低于1mmol/L時(shí)吸收K+。因此,在任何外界K+濃度,2個(gè)系統(tǒng)要開(kāi)始工作必須要先由H+外排系統(tǒng)建立的△pHi,o達(dá)到一定值。當(dāng)外界K+濃度和△pHi,o能夠激勵(lì)系統(tǒng)II運(yùn)作時(shí),吸收是雙相可飽和模式。4k+運(yùn)輸體基因雖然克隆得到了低親和力KAT1、AKT1、KST1、AKT2和高親和力HKT1的K+運(yùn)輸體基因,但這些運(yùn)輸體怎樣調(diào)節(jié)細(xì)胞K+水平卻不很清楚。4.1k-k吸收系統(tǒng)的調(diào)整4.1.1深度k+咀嚼和高親水的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白合成K+對(duì)它本身的吸收行為表現(xiàn)為饑餓誘導(dǎo)和反饋抑制。K+饑餓時(shí)高親和力K+吸收系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致K+吸收進(jìn)入根的K+增加。同時(shí)由于不斷增加的內(nèi)部K+濃度所引起的反饋抑制也在植物和酵母中存在。對(duì)于大麥和玉米苗在低鉀濃度范圍(1~100μmol/L)的大量研究表明,一旦幼苗K+饑餓,吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)(Km和Vmax)即改變。當(dāng)生長(zhǎng)在充足的K+條件下的大麥苗饑餓24h(短期),K+運(yùn)輸Km立即減小4倍,表明高親和力K+運(yùn)輸體對(duì)K+親和力增加。如果饑餓延長(zhǎng)至7d(長(zhǎng)期),K+吸收的Vmax漸增。短期K+饑餓使得高親和力系統(tǒng)的生化控制系統(tǒng)發(fā)揮作用,引起K+轉(zhuǎn)運(yùn)體活性的增加;而在深度的K+饑餓下,會(huì)有更多的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白合成,導(dǎo)致K+吸收Vmax的增加。幾乎沒(méi)有生理學(xué)證據(jù)支持短期K+饑餓期間有新的高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體合成。首先因?yàn)镵+饑餓引起的吸收反應(yīng)似乎太快(在處理的22min內(nèi)),其次是,吸收速率的增加在缺乏DNA、RNA或蛋白合成的情況下也會(huì)發(fā)生。在深度K+饑餓情況下轉(zhuǎn)運(yùn)體的合成是可能的。Glass進(jìn)一步闡明了根高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)控制K+水平的機(jī)制。他認(rèn)為在大麥根中,隨著內(nèi)部K+濃度的不斷增加,K+吸收的Km增加,而且這種向較低親和力系統(tǒng)遷移的趨勢(shì)表明K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過(guò)變構(gòu)控制K+吸收。他的這一模型認(rèn)為,隨細(xì)胞質(zhì)K+增加,K+逐漸結(jié)合在K+轉(zhuǎn)運(yùn)體的面向細(xì)胞質(zhì)面的4個(gè)變構(gòu)位點(diǎn)上,當(dāng)所有4個(gè)位點(diǎn)都完全被K+占據(jù)時(shí),引起構(gòu)造改變,減少了轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)K+的親和力。Tie-BangWang等研究了控制K+供應(yīng)給大麥和小麥根對(duì)于HKT1轉(zhuǎn)錄水平的影響。他觀察到在無(wú)K+介質(zhì)中頭4h有HKT1表達(dá)的快速上調(diào)現(xiàn)象。并且根中HKT1表達(dá)的增加領(lǐng)先于根或莖中K+濃度可檢測(cè)的改變。Northernblots定量分析證實(shí)無(wú)K+后4hHKT1表達(dá)水平已增加到1.5~2倍。HKT1的表達(dá)直到12h還繼續(xù)增加,到24hHKT1mRNA的表達(dá)與12h峰值相比稍微下降。大麥HAK1cDNA在酵母中的表達(dá)和AtKUP1基因在擬南芥中的表達(dá)表明它們調(diào)節(jié)高親和力Rb+吸收。HAK1和AtKUP3mRNA水平也因K+供應(yīng)的撤消而增加,顯示這些基因成員可在K+供應(yīng)被剝奪時(shí)引起K+內(nèi)流增加。高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在微摩爾范圍內(nèi)K+吸收有明顯的Km值,而且高親和力K+吸收速率對(duì)植物K+狀態(tài)極為敏感,當(dāng)根中K+含量增加時(shí),K+吸收的Vmax值下降而Km值增加。相反,當(dāng)外部K+供應(yīng)受到干擾時(shí),高親和K+吸收快速上調(diào)。高親和力K+吸收在分子水平的明顯的復(fù)雜性,使得研究各個(gè)運(yùn)輸因子受K+誘導(dǎo)的時(shí)間歷程顯得非常重要。以便確定植物不同時(shí)間和發(fā)育階段各個(gè)基因的相對(duì)重要性。4.1.2k+通道活性對(duì)植物光合過(guò)程的調(diào)節(jié)有人認(rèn)為低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)似乎對(duì)植物K+狀態(tài)不甚敏感。低親和力系統(tǒng)在大麥、黑麥草和玉米中對(duì)K+狀態(tài)不敏感,在向日葵和擬南芥中K+吸收和K+通道活性因K+饑餓而輕微增加。在油菜中,供應(yīng)不同濃度K+時(shí),AKT1基因有明顯的高水平表達(dá),當(dāng)撤去K+時(shí)沒(méi)有改變AKT1的表達(dá)水平。AKT1在油菜中可能是結(jié)構(gòu)性地表達(dá)。Maathuis和Sanders研究了擬南芥根中低親和力單通道活性,K+從高到低的改變導(dǎo)致內(nèi)向整流通道活性的增加。進(jìn)一步的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),無(wú)論短期或長(zhǎng)期K+饑餓,AKT1基因的表達(dá)都沒(méi)有增加。也就是說(shuō),因應(yīng)K+濃度的改變,是通道活性而不是基因表達(dá)受到調(diào)節(jié)。植物K+通道活性調(diào)節(jié)的分子機(jī)制可由哺乳動(dòng)物K+通道β亞基的克隆得到啟示,即K+通道β亞基可以通過(guò)阻塞通道孔而引起通道失活。從植物中克隆到的β亞基同源體暗示這種哺乳動(dòng)物中發(fā)生的通道調(diào)節(jié)方式也可能發(fā)生在植物中。油菜中的AKT1基因水平未受外部K+濃度的影響,使人認(rèn)為AKT1是一個(gè)K+吸收的結(jié)構(gòu)性組分。但是,K+饑餓的小麥苗中時(shí)間依賴性內(nèi)向整流K+通道電流的數(shù)值和發(fā)生頻率增加,原因是K+從介質(zhì)中撤去后根中編碼K+通道的TaAKT1mRNA水平上調(diào),TaAKT1表達(dá)增加。AKT1在酵母中的表達(dá)及在擬南芥根中的自然表達(dá)已證明,AKT1能調(diào)節(jié)微摩爾范圍的高親和力K+吸收,這些和小麥根中TaAKT1mRNA及K+in的饑餓誘導(dǎo)都說(shuō)明K+in通道有可能既是結(jié)構(gòu)性的也是可誘導(dǎo)的。4.2植物k+通道活性的調(diào)節(jié)水脅迫并不顯著影響玉米根皮層的內(nèi)向或外向整流K+傳導(dǎo)性。但水脅迫顯著減少了根中柱細(xì)胞的外向電流而對(duì)內(nèi)向電流很少影響。水脅迫導(dǎo)致的進(jìn)入中柱的K+減少表明K+通道活性的調(diào)整是對(duì)水脅迫時(shí)能夠在干旱土壤中生存的一種重要的適應(yīng)方式。因?yàn)镵+在根中的積累能維持水勢(shì),有利于水的吸收和根生長(zhǎng)所需的細(xì)胞膨壓。ABA可以2種方式調(diào)節(jié)K+通道:1)通道表達(dá)或(和)通道蛋白整合入原生質(zhì)膜;2)調(diào)節(jié)通道活性。ABA也減少根中柱細(xì)胞外向電流。因此植物適應(yīng)環(huán)境脅迫機(jī)制中,K+通道的調(diào)節(jié)或許是物質(zhì)傳導(dǎo)和信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)的重要途徑。其它激素、光和化學(xué)物質(zhì)如Al3+、Ca2+都可以不同方式調(diào)節(jié)K+通道。YongweiCao等研究了表達(dá)水平導(dǎo)致的K+通道KAT1的調(diào)整。他提出幾個(gè)假定來(lái)解釋K+通道不同表達(dá)水平帶來(lái)的生物物理特性的差異。過(guò)分表達(dá)使得轉(zhuǎn)錄后修飾反應(yīng)如RNA編輯、磷酸化、通道-通道反應(yīng)達(dá)到飽和。ATP和其它細(xì)胞因子調(diào)節(jié)KAT1激活。通道分子可以在高聚集密度下相互作用。通道的群生在原生質(zhì)膜上形成一個(gè)極性位點(diǎn),這種極性位點(diǎn)在植物運(yùn)輸過(guò)程中是需要的。KAT1可能發(fā)生轉(zhuǎn)錄后修飾或顯著的結(jié)構(gòu)改變,即使較小的結(jié)構(gòu)改變也能夠較大地影響植物K+通道的單通道傳導(dǎo)性參數(shù)。研究短期和長(zhǎng)期KAT1、AKT1及HKT1等基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和K+運(yùn)輸活性,弄清調(diào)節(jié)K+吸收的變構(gòu)模型,從植物中克隆β亞基等工作為我們研究K+通道活性的的調(diào)節(jié)打開(kāi)了新視野。有助于理解K+通道和高親和力K+運(yùn)輸體在K+獲取和植物營(yíng)養(yǎng)中的作用。5跨原生質(zhì)膜的k-s-pcr特性植物原生質(zhì)膜質(zhì)子泵ATP酶(H+-ATP酶)通過(guò)從細(xì)胞中泵出質(zhì)子,因而創(chuàng)造一個(gè)跨原生質(zhì)膜的pH差和電勢(shì)差。第二運(yùn)載體則依賴這種由H+-ATP酶創(chuàng)建的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力。5.1第4種是活性植物原生質(zhì)膜的k+-atp酶直接運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化作用較早所研究的原生質(zhì)膜H+-ATP酶的一個(gè)關(guān)鍵特性就是K+的特殊刺激。因此這個(gè)酶被稱為“K+-刺激的ATP酶”,早期研究認(rèn)為K+的刺激反映酶對(duì)陽(yáng)離子的實(shí)際運(yùn)輸。ATP酶活性的K+刺激表明它與K+吸收有某些相關(guān)。在大麥、小麥、燕麥和玉米的一項(xiàng)研究中,膜組分中ATP酶活性的K+刺激與K+吸收進(jìn)入其根的速率相關(guān)。燕麥和玉米的研究還表明,原生質(zhì)膜ATP酶活性的K+刺激的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程與K+吸收進(jìn)入根組織的動(dòng)力學(xué)過(guò)程相似。植物原生質(zhì)膜H+-ATP酶的反應(yīng)機(jī)制動(dòng)力學(xué)研究表明,K+刺激ATP水解活性可能與2個(gè)單獨(dú)反應(yīng)步驟有關(guān)。K+加速了E1P(酶的磷酸化形式)到E2P的轉(zhuǎn)化及無(wú)機(jī)磷Pi從E2P中的釋放。ATP酶水解活性的K+刺激與K+運(yùn)輸關(guān)系及K+在酶反應(yīng)機(jī)制中的作用使人認(rèn)為:K+是被植物原生質(zhì)膜H+-ATP酶直接運(yùn)輸,類似于動(dòng)物細(xì)胞胃液H+,K+-ATP酶;并認(rèn)為K+將與質(zhì)子相交換,從細(xì)胞外到細(xì)胞質(zhì),而且這個(gè)運(yùn)輸過(guò)程將與K+對(duì)Pi的釋放和E1P到E2P的轉(zhuǎn)化相結(jié)合。然而,原生質(zhì)膜H+-ATP酶充當(dāng)H+/K+交換泵的概念被其它的觀察所質(zhì)疑。ATP水解活性的鉀離子刺激與動(dòng)物細(xì)胞中直接運(yùn)輸此離子的ATP酶相比時(shí)顯得相對(duì)微弱。原生質(zhì)膜H+-ATP酶的活性或質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)不需要鉀的必須參與。因此Donald等認(rèn)為,植物原生質(zhì)膜H+-ATP酶只充當(dāng)基本的質(zhì)子泵,而所觀察到的K+對(duì)于酶的反應(yīng)表示這個(gè)陽(yáng)離子作為一種效應(yīng)劑在起作用。用原位含H+-ATP酶的膜囊泡很難區(qū)分K+的刺激是直接的還是間接的。非直接刺激來(lái)自2方面:K+通道和H+/K+運(yùn)輸體因運(yùn)輸K+而消耗膜勢(shì)和pH梯度,從而刺激H+-ATP酶;由于K+的屏蔽作用,減少了膜上負(fù)電荷與陰離子Mg-ATP之間的靜電斥力,導(dǎo)致酶活性增加。然而在控制條件下,在純化的H+-ATPase制劑中能觀察到K+的直接刺激。Shu-ITu等研究玉米根液泡膜和原生質(zhì)膜質(zhì)子運(yùn)輸H+-ATPase催化ATP水解和質(zhì)子運(yùn)輸?shù)鸟詈锨闆r。結(jié)果表明,ATP水解與H+運(yùn)輸并非直接耦聯(lián):1)酶催化的ATP水解與H+運(yùn)輸?shù)臏囟确磻?yīng)不同。在10℃至45℃,2種酶均增加ATP水解的速率,然而質(zhì)子運(yùn)輸在20℃至30℃時(shí)保持恒定,至40℃時(shí)探測(cè)不到質(zhì)子運(yùn)輸;2)原生質(zhì)膜H+-ATP酶催化的ATP水解受釩酸鹽抑制劑的影響遠(yuǎn)大于質(zhì)子運(yùn)輸所受的影響。液泡膜H+-ATP酶介導(dǎo)的質(zhì)子運(yùn)輸對(duì)硝酸鹽的敏感性比ATP水解對(duì)硝酸鹽的敏感性大得多,在某硝酸鹽濃度質(zhì)子運(yùn)輸受抑制80%而ATP水解幾乎不受影響。5.2h+-atp酶和k+的非直接激活I(lǐng)nmaculadaGarrido等對(duì)向日葵苗的根研究從以下幾個(gè)方面證實(shí)H+外排系統(tǒng)與K+吸收系統(tǒng)并非直接耦合:1)在微摩爾到毫摩爾濃度K+范圍,H+外流量相似,而K+吸收動(dòng)力學(xué)曲線卻有大的改變。表明H+外排系統(tǒng)和K+吸收系統(tǒng)并非直接耦合;2)K+吸收在各濃度都表現(xiàn)延遲H+外排60min;3)纈氨霉素和DCCD對(duì)這2個(gè)系統(tǒng)的影響也證實(shí)二者非直接耦聯(lián)。纈氨霉素為K+載體,它引起的大量突然的K+外流并沒(méi)導(dǎo)致H+外流的立刻改變,DCCD抑制原生質(zhì)膜H+-ATP酶的H+運(yùn)輸,它對(duì)H+外流的抑制并沒(méi)有造成K+內(nèi)流的突然停止。關(guān)于H+-ATP酶和K+的關(guān)系,曾經(jīng)提出幾個(gè)假設(shè):1)K+能夠直接由原生質(zhì)膜H+-ATP酶本身運(yùn)輸,類似動(dòng)物細(xì)胞中H+,K+-ATP酶;2)H+-ATP酶為K+運(yùn)輸提供驅(qū)動(dòng)力,這是通過(guò)其它載體的第二運(yùn)輸過(guò)程,其中H+-ATP酶保持活性或其介導(dǎo)的H+運(yùn)輸顯然并不需要K+的存在;3)K+通過(guò)與H+-ATP酶密切相關(guān)的特殊通道運(yùn)輸。人們傾向認(rèn)為上述2)和3)可能為正確途徑。運(yùn)輸方式依賴于外部K+濃度。H+-ATP酶水解ATP與運(yùn)輸質(zhì)子的非直接耦聯(lián)以及H+外排與K+內(nèi)流的非直接耦聯(lián),表明H+-ATP酶對(duì)于K+吸收的影響是間接的。研究證明,原生質(zhì)膜H+-ATP酶沒(méi)有通過(guò)使ATP水解與K+吸收化學(xué)上直接聯(lián)系起來(lái)。這個(gè)酶給細(xì)胞通過(guò)第二機(jī)制吸收K+提供了驅(qū)動(dòng)力,如K+通道、H+/K+協(xié)同運(yùn)輸體。但通過(guò)其它ATP酶的直接的K+運(yùn)輸(如K+