水稻OsHAK17和OsHAK26的基本表达调控开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

意义：水稻钾离子转运体基因尤其是在低钾条件下起主要作用的高亲和钾转运蛋白（kup/hak/kt家族）的功能十分重要，但目前对他们的研究还非常缺乏，所以本课题计划研究钾吸收和转运基因oshak17和oshak26的生物信息学、亚细胞定位、在异源系统中的功能等分析这两个基因在水稻中的生理功能，可以深入了解植物适应低钾环境的机理，另一方面，也可以为利用与改良水稻钾营养特性，提高水稻钾营养效率，提供重要的理论基础和科学依据。

研究概况及应用前景：水稻是我国重要的粮食作物，其产量占全国粮食总产量的一半。因此，对于保护我国的粮食安全来说，保障水稻的产量和品质有着非常重要的意义。在影响水稻的产量和品质的各种因素之中，水稻营养是最重要的环节。传统的植物营养学已经研究各种营养元素的作用，并对其生理功能进行了系统和详细的分析，并取得了许多重要的研究成果。然而，作为植物吸收的营养元素的主体，研究它们主动吸收土壤环境中养分的机理，并在分子生物学发展起来后开始出现了一些深入的新课题。目前，很多研究机构的有关高等植物营养吸收需求相关的基因研究，特别是氮，磷吸收有关的基因方面取得了一定的研究成果，而高等植物钾吸收利用的相关研究还比较少。

钾作为三大必需的营养元素之一，对作物生长发育、产量形成与品质的意义十分重要。在中国，约1/3的土壤中钾的含量不足，尤其严重的是我国的钾资源非常匮乏，这些因素成为对于我国的农业生产是一个重要问题（严小龙和张福锁，1997；鲁如坤，1989）。国内外的已有研究表明，不同植物种类或者同种植物(作物)的不同品种对于缺钾土壤的生理反应以及对钾元素的吸收利用效率存在明显的差异，而且不同的植物本身的这种钾营养效率是可以遗传的，表明植物钾营养效率性状是由遗传基因控制（wan和武维华，2009）。90年代以来，许多负责钾营养的吸收和转运的通道蛋白基因的被相继克隆和鉴定，确定了一些重要的调节机制，其中一些重要膜蛋白也开始被逐步认识，而这些蛋白的功能和植物钾营养效率性状之间密切相关。这些研究成果为进一步利用钾营养的生物学技术改良和培育植物钾高效利用的作物新品种奠定了基础（和武维华王，2009） 。

2. 研究的基本内容和问题

研究目的

水稻钾离子转运体基因尤其是在低钾条件下起主要作用的高亲和钾转运蛋白（kup/hak/kt家族）的功能十分重要，而在水稻中预测的hak家族成员有多达27个，但目前对它们生理功能的了解大多还十分有限，本课题想通过以oshak17和oshak26为研究对象，通过rt-pcr、异源表达系统功能分析、亚细胞定位等技术方法，对oshak17和oshak26的表达模式、功能、蛋白定位进行分析，以期望能够对oshak17和oshak26的生理功能有一定的了解。

研究内容：

3. 研究的方法与方案

1研究材料

水稻：野生型水稻日本晴（oryza sativa cv. nipponbare l.）

大肠杆菌：dh5α、trans1-t1

4. 研究创新点

特色或创新之处：

kup/hak/kt转运体家族首个蛋白是在大肠杆菌(e.coli)中发现的,命名为钾吸收透性酶(k uptake permease, kup) (schroeder et al., 1994),主要负责 k 的吸收(schleyer和bakker, 1993),随后并且在土壤酵母中也发现高亲和k吸收的hak基因。这一基因家族在植物、真菌和变形虫门中广泛存在,但是目前在原生生物和动物中还没有发现这类基因的存在(grabov, 2007)。

植物中的hak基因家族又被称为kt或kup基因家族,是与大肠杆菌钾转运体kup及酵母钾转运体hak1具有较高同源性的一类钟转运体,广泛分布在植物的不同器官和组织中。它们绝大部分受k 饥饿的诱导(gierth et al., 2005; banuelos et al., 2002 )。1998年kim等从拟南芥的est库中克隆出编码一种与细菌的k 吸收性酶 kups（k uptake permeases）和酵母的haks 同源的k 转运体基因atkup1，atkup2 和 atkup3。之后共有13个该家族的基因被鉴定出来(maser et al., 2001; very and sentenac, 2003)。hak钾离子转运体的基本特点是存在保守一致性的gvvygdlgtsply,它们这一特点可能与它们的功能相关(rodriguez-navarro,2000)。在拟南芥、水稻和番茄中,有文献报道几个该基因家族的成员与k 饥饿的上游调控有关。madhur gupta 等(2008)通过 microarray 技术发现水稻 hak 家族的 27 个基因在不同的部位以及不同的发育时期表达量是有差异的。在kt/hak/ kup家族的13个成员中atkupl, atkup2和athak5的功能己经验证，其对根的发育根毛的生长有调控作用(guilhem desbrosses er a/., 2003)。大麦中的hvhaki是第一个在高等植物中鉴定的kup/hak/kt家族因,hvhakl不仅能调控高亲和的k 吸收,也能调节低亲和的na 吸收,与此同时与hvhakl 基因有 42%同源性的 hvhak2 也得以分离(santa-maria et al, 1997)。kup/hak/kt基因家族大量存在表明植物获取k 的主要机制可能是通过这些基因在不同组织、细胞类型或不同的生长时期中表达、分配和调节来完成的。

5. 研究计划与进展

研究计划及预期进展

随着对kup/hak/kt家族基因研究的深入，其它物种相应基因也陆续被发现。bauelos等人（2002）报道水稻中17个hak基因的克隆，根据氨基酸序列同源性分析将17个基因分为四个亚族，其中oshak1, oshak2, oshak5, oshak7和oshak10的功能在酵母或者大肠杆菌中得到了初步的验证(bauelos et al., 2002; horie et al., 2011)。另外tomoyuki okada等（2008）在水稻中验证了在缺钾和盐胁迫条件下17个hak基因的表达情况。

此外为获取水稻的全部hak基因，amrutha等（2007）以拟南芥hak转运蛋白作为检索序列，利用 blastp搜索tigr 水稻基因组注释数据库，水稻基因组计划（the rice genome project，rgp）数据库和 ncbi 数据库，在水稻基因组中水平上鉴定出27个hak基因，这27个水稻的hak钾离子转运体基因分布在水稻的8条染色体上，根据氨基酸序列同源性分析同样可以将这27个基因分为四个亚族。