近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院徐國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)頂級(jí)期刊《The Plant Cell》在線(xiàn)發(fā)表題為“Two AP2/ERF transcription factors co-regulate OsHAK1 to modulate potassium and cesium uptake in rice”的研究論文。該研究首次揭示了一對(duì)功能相互拮抗的AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)協(xié)同調(diào)控OsHAK1的表達(dá)，動(dòng)態(tài)平衡水稻對(duì)鉀和銫的吸收過(guò)程。

鉀（K?）是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素，廣泛參與電荷平衡、酶活性調(diào)節(jié)以及源-庫(kù)間物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等關(guān)鍵生理過(guò)程，是控制作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成及抗病性的核心陽(yáng)離子。銫（Cs?）作為鉀的化學(xué)類(lèi)似物，可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制引發(fā)植物毒性。盡管已有研究確認(rèn)OsHAK1是水稻吸收K?和Cs?的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但其上游調(diào)控機(jī)制仍不明確。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同供鉀條件下水稻根系和地上部的轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定出兩個(gè)APETALA2/乙烯響應(yīng)因子（AP2/ERF）家族成員——鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控因子1和2（KTR1和KTR2），它們直接調(diào)控OsHAK1的表達(dá)。在低鉀脅迫下，KTR1表達(dá)受抑制而KTR2被誘導(dǎo)表達(dá)；進(jìn)一步功能驗(yàn)證顯示，KTR1抑制、而KTR2激活OsHAK1的轉(zhuǎn)錄。遺傳分析表明，敲除KTR1可增強(qiáng)植株對(duì)K?和Cs?的吸收與積累，而敲除KTR2則導(dǎo)致吸收能力下降。OsHAK1被確認(rèn)為KTR1和KTR2調(diào)控的關(guān)鍵下游靶點(diǎn)，在ktr1突變體或KTR2過(guò)表達(dá)植株中進(jìn)一步敲除OsHAK1，可使Cs?含量降至與oshak1突變體相當(dāng)水平。

研究還發(fā)現(xiàn)KTR2可調(diào)控KTR1的表達(dá)，形成反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。遺傳分析顯示，ktr2單突變體與ktr1 ktr2雙突變體表現(xiàn)出相近的生長(zhǎng)缺陷與產(chǎn)量下降；而利用自身啟動(dòng)子增強(qiáng)KTR2表達(dá)，則能顯著提高水稻產(chǎn)量與鉀吸收效率，表明KTR2在鉀吸收調(diào)控中占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，通過(guò)對(duì)KTR1、KTR2和OsHAK1不同單倍型與地理分布及土壤鉀含量之間的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)這些基因的單倍型組合顯著影響水稻對(duì)鉀的吸收與分配效率。

該研究系統(tǒng)闡明了一對(duì)轉(zhuǎn)錄因子在低鉀條件下激活高親和鉀吸收系統(tǒng)（HATs）、促進(jìn)鉀高效吸收，而在高鉀條件下使其失活以避免能量浪費(fèi)的精細(xì)調(diào)控機(jī)制（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)作物鉀營(yíng)養(yǎng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解，為通過(guò)分子育種手段聚合KTR1、KTR2與OsHAK1的優(yōu)良單倍型，培育適應(yīng)不同鉀水平土壤、鉀高效且低銫積累的水稻新品種提供了關(guān)鍵理論依據(jù)與育種新靶點(diǎn)。

圖1 在鉀缺乏和充分供應(yīng)條件下，KTR1和KTR2協(xié)同介導(dǎo)OsHAK1的表達(dá)，調(diào)節(jié)水稻對(duì)K⁺和Cs⁺吸收的異同途徑

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院博士生李夢(mèng)琪和淮安市農(nóng)科院助理研究員李衛(wèi)紅為該論文共同第一作者，徐國(guó)華教授和余玲教授為共同通訊作者。資環(huán)學(xué)院黃新元、顧冕教授以及馮慧敏副教授、瞿紅葉老師和博士生路翔斌、李雪松和曾洋（現(xiàn)為淮安市農(nóng)科院助理研究員）參與了本研究。研究工作得到了科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

全文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf205