蘇文 劉敬 王冰 李魏 戴良英

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院 植物病蟲害生物學(xué)與防控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128）

K+是植物體內(nèi)含量最豐富的陽(yáng)離子，同時(shí)鉀也是作物生長(zhǎng)必需的三大礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一，約占植物干重的 2%-10%［1］。與氮、磷兩種元素不同，雖然鉀不參與任何有機(jī)物質(zhì)的合成，卻在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著不可替代的作用，其主要參與植物體內(nèi)許多重要的生理和生化過(guò)程，如（1）促進(jìn)植物脂肪代謝、水分代謝；（2）促進(jìn)同化物轉(zhuǎn)化，促進(jìn)韌皮部的養(yǎng)分運(yùn)輸；（3）控制細(xì)胞膜極化；（4）調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)光合作用；（5）作為酶的激活劑；（6）維持陰陽(yáng)離子平衡；（7）調(diào)節(jié)滲透壓等［2-5］。同時(shí)鉀還可以提高植物對(duì)高鹽、干旱等非生物脅迫及病蟲害的耐受性，缺鉀會(huì)直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，如加速老葉黃化，根系短小且易倒伏等［3］。土壤中所能提供的速效鉀的含量很少，約在10-100 μmol/L之間，且土壤內(nèi)有效鉀離子濃度變化巨大，有時(shí)相差100倍左右，為了適應(yīng)不同的鉀濃度環(huán)境，滿足自身對(duì)鉀營(yíng)養(yǎng)的需求，保持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，植物細(xì)胞分化出高親和與低親和兩種鉀吸收系統(tǒng)［6］。在外界鉀營(yíng)養(yǎng)匱乏的環(huán)境下，植物細(xì)胞主要采用高親和鉀吸收系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行鉀的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)［5，7］。本文主要介紹了高親和鉀吸收系統(tǒng)中KUP/HAK/KT家族的基本情況及其分類、高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK的系統(tǒng)發(fā)育分析及其在植物鉀吸收，生長(zhǎng)發(fā)育，抵抗生物脅迫和非生物脅迫等方面的功能。深入了解鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK在植物體內(nèi)的吸收及作用機(jī)制對(duì)于有效提高鉀肥的利用效率，提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)載體KUP/HAK/KT家族簡(jiǎn)介

K+在土壤中的流動(dòng)性較低，大部分被土壤吸附或固定，因此植物根系所能利用的鉀濃度很低。在低鉀環(huán)境（鉀濃度低于0.2 mmol/L）下，植物的根系細(xì)胞膜進(jìn)化出高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤溶液中進(jìn)行鉀的有效吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，以滿足自身對(duì)鉀的高營(yíng)養(yǎng)需求［8-9］。根據(jù)高親和K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的序列特征和結(jié)構(gòu)不同，其主要分為4大家族：KUP（K+uptake）/HAK（High-affinity K+）/KT（K+transporter）家 族、HKT/Trk/Ktr家族、CHX（Cation/hydrogen exchanger）家 族 以 及KEA（K+efflux anti-porter）家 族［10-11］。KUP/HAK/KT家族是植物體內(nèi)高親和K+轉(zhuǎn)運(yùn)家族中最大、成員最多的家族，該家族成員廣泛存在于植物的各組織器官中，在細(xì)胞膜和液泡膜上行使功能，其成員已在植物、真菌及變形蟲中均有發(fā)現(xiàn)，但尚未涉及原生生物和動(dòng)物界［12］。研究發(fā)現(xiàn)水稻（Oryza sativaL.）中存在27個(gè)潛在的KUP/HAK/KT家族的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在擬南芥（Arabidopsis thaliana）、玉米（Zea maysL.）、白楊（Populus tomentosaCarr）和番茄（Solanum lycopersicum）中分別存在13、27、31和21個(gè)［10，13-14］。

植物KUP/HAK/KT家族基因基于系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，保守基序和基因結(jié)構(gòu)分析分為4個(gè)主要的系統(tǒng)發(fā)育亞族［15］。第I亞族在低鉀環(huán)境下表達(dá)上調(diào)，該家族基因編碼的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白均能介導(dǎo)高親和力鉀吸收，也有部分I亞族基因可以為低親和的鈉內(nèi)流提供通道，如HvHAK1和PhaHAK1等［9，16-17］。第II亞 族 參 與了植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，其成員在序列和功能上具有很大的差異，該亞族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可介導(dǎo)鉀的高親和與低親和攝?。?6，18］。部分II亞族成員調(diào)控了植物的生長(zhǎng)進(jìn)程，如AtKUP4/TRH1突變會(huì)導(dǎo)致擬南芥生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)受損、根毛細(xì)小；AtKUP2（shy3-1）突變會(huì)降低芽細(xì)胞擴(kuò)增等［19-20］。目前，對(duì)KUP/HAK/KT第 III及第IV亞族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白生理功能的研究還相對(duì)較少［13］。

2 植物鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK簡(jiǎn)介及系統(tǒng)發(fā)育分析

植物HAK鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在介導(dǎo)高親和K+吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程介導(dǎo)H+/K+的同向運(yùn)輸，屬于逆化學(xué)勢(shì)梯度，消耗能量的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程。編碼高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)的HAK蛋白在大麥（Hordeum vulgareL.）中首次被克隆出來(lái)，后在其他植物中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)HAK蛋白［21］。在結(jié)構(gòu)方面，HAK鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通常具有12個(gè)跨膜區(qū)域（Transmembrane segments，TMS），在第2個(gè)和第3個(gè)TMS之間存在著胞質(zhì)Loop，C末端和N末端均位于胞內(nèi)側(cè)［22］（圖1）。由于HAK高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在瓜蟾卵母細(xì)胞中不表達(dá)，但可補(bǔ)充存在K+吸收缺陷的酵母（Saccharomyce）或細(xì)菌突變體中的K+吸收。因此，該蛋白的功能常在酵母和大腸桿菌等異源系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證［23-24］。

圖1 植物HAK高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究植物中HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之間的進(jìn)化模式和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，用MEGA將水稻、擬南芥、玉米、大麥和煙草（Nicotiana tabacumL. /Nicotiana rustica）等13個(gè)物種的69個(gè)HAK蛋白的氨基酸序列完全比對(duì)，通過(guò)NJ（Neighbor-Joining，NJ）方法構(gòu)建了一個(gè)綜合的系統(tǒng)發(fā)育樹（圖2）。從系統(tǒng)發(fā)育樹中，我們發(fā)現(xiàn)植物中該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的所有成員都被分為7組（A-G），A組包括來(lái)自煙草、非洲冰草（Mesembryanthemum crystallinum）、水稻、玉米、海草（Cymodocea nodosa）和蘆葦（Phragmites australisTrinius）中的16個(gè)基因；B組包括來(lái)自水稻、玉米、海草、大麥4個(gè)物種中的8個(gè)基因；C組包括水稻、玉米中的6個(gè)基因；D組包括水稻、玉米、桃（Physcomitrella patens）和蘆葦中的9個(gè)基因；E組同樣包括水稻和玉米中的6個(gè)基因；F中包括辣椒（Capsicum chinense）、番茄、擬南芥（Arabidopsis thaliana）、鹽 芥（Thellungiella halophila）和 蓖 麻（Ricinus communis）中的5個(gè)基因；G組中包括水稻、玉米、蘆葦、大麥4個(gè)物種中19個(gè)基因。該系統(tǒng)發(fā)育樹中的所有基因都起源于種子植物，表明其可能獨(dú)立地在種子植物中形成，其中B、C、E和F組均是單子葉植物的基因，其他組既包括單子葉植物的基因，也包括雙子葉植物的基因。

3 高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK的功能

3.1 促進(jìn)植物鉀吸收

圖2 植物HAK高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的系統(tǒng)發(fā)育樹

鉀在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。低鉀環(huán)境下水稻根和芽中的眾多HAK基因均被誘導(dǎo)表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)OsHAK1在低鉀和高鉀的酵母環(huán)境中均生長(zhǎng)良好，OsHAK1被敲除后植株的鉀吸收率及轉(zhuǎn)運(yùn)能力與野生型相比均顯著降低，而過(guò)表達(dá)植株則增強(qiáng)了水稻中鉀的積累，這表明OsHAK1是一種能同時(shí)介導(dǎo)水稻高親和與低親和K+攝取的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［13］。OsHAK5能在僅含0.1mmol/L K+的酵母環(huán)境中生長(zhǎng)，水稻敲除OsHAK5后，其根系凈鉀流入速率和地上部分的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)能力受到嚴(yán)重影響，相反，過(guò)表達(dá)OsHAK5植株的鉀積累量則顯著增加［9，25］。水 稻OsHAK16在K+不 足 時(shí) 表 達(dá) 上 調(diào)，OsHAK16被敲除后顯著降低了水稻根系凈鉀吸收速率和生長(zhǎng)狀態(tài)，而過(guò)表達(dá)OsHAK16僅在0.1 mmol/L K+水平上改善了植物總鉀吸收含量及生長(zhǎng)狀態(tài)［26］。OsHAK7、OsHAK10在酵母及細(xì)菌突變體中均被驗(yàn)證可介導(dǎo)低親和鉀吸收［27］。當(dāng)在K+缺陷型酵母中表達(dá)時(shí)，OsHAK21發(fā)揮鉀積累功能，彌補(bǔ)了其生長(zhǎng)缺陷［28］。這些證據(jù)證明HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在維持水稻K+穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用。

AtHAK5是擬南芥面對(duì)缺鉀脅迫時(shí)反應(yīng)的標(biāo)志基因，在K+饑餓時(shí)，擬南芥根中的AtHAK5轉(zhuǎn)錄水平增加，T-DNA插入后植株的鉀積累量減少，該基因的同源物L(fēng)eHAK5、ThHAK5、HvHAK1、CaHAK1和OsHAK1均對(duì)K+不足有響應(yīng)［5，29-30］。通過(guò)酵母實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，辣椒（Capsicum annuumL.）CaHAK1能介導(dǎo)植株高親和力K+攝?。?1］。雖然番茄LeHAK5不能彌補(bǔ)酵母突變體WD3在0.1 mmol/L 鉀環(huán)境下的生長(zhǎng)缺陷，但是LeHAK5-CaHAK1復(fù)合體卻能補(bǔ)充這種缺陷［32］。從缺鉀植株根系中分離得到的鹽芥ThHAK5能在0.1 mmol/L K+的酵母環(huán)境中生長(zhǎng)，介導(dǎo)植物的鉀吸收［33］。低鉀環(huán)境下大麥HvHAK1的轉(zhuǎn)錄水平相比于正常鉀環(huán)境增加了5倍，將大麥HvHAK1cDNA插入酵母表達(dá)載體中發(fā)現(xiàn)，HvHAK1能介導(dǎo)酵母在0.1 mmol/L 的K+環(huán)境中生長(zhǎng)［34］。HvHAK4可能有助于大麥吸收K+至生長(zhǎng)中的葉片組織中，并維持葉肉K+濃度高于表皮［35］。研究發(fā)現(xiàn)，非洲冰草中McHAK1、McHAK2、McHAK4可恢復(fù)鉀攝取缺陷型酵母菌株在毫摩鉀環(huán)境下的生長(zhǎng)，促進(jìn)植物鉀吸收［36］。獐茅（Aeluropus littoralis）中AlHAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可介導(dǎo)植物的高親和性鉀吸收［37］。蘆葦植物中PhaHAK2和PhaHAK5均為高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，介導(dǎo)植物鉀營(yíng)養(yǎng)積累［17，38］。海草中CnHAK1過(guò)表達(dá)后介導(dǎo)了大腸桿菌突變體中的快速K+涌入，這些涌入的濃度依賴性證明CnHAK1為低親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［39］。煙草NrHAK1在面臨低鉀脅迫時(shí)表達(dá)上調(diào)，在低鉀環(huán)境下能增加植株鉀離子含量的積累［40］。低鉀處理提高了桑椹（Morus albaL.）MaHAK5的轉(zhuǎn)錄水平［41］。

研究發(fā)現(xiàn)，谷子（Setaria italica）SiHAK1在低鉀環(huán)境下表達(dá)上調(diào)顯著，促進(jìn)植物鉀吸收，SiHAK2則在K+濃度較高時(shí)增加鉀營(yíng)養(yǎng)的積累，通過(guò)在酵母中添加不同的鉀濃度比較SiHAK1與OsHAK1、OsHAK5和HvHAK1的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)能力，發(fā)現(xiàn)SiHAK1與其他3種鉀運(yùn)蛋白相比更能適應(yīng)低鉀環(huán)境，這些結(jié)論證明SiHAK1是一種在低鉀環(huán)境下進(jìn)行K+轉(zhuǎn)運(yùn)的高親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，且具有更好的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)能力［42］。玉米ZmHAK5是一種高親和的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，ZmHAK5突變植株鉀吸收能力降低，相反，超表達(dá)ZmHAK5后則表現(xiàn)出更好的生長(zhǎng)狀態(tài)及鉀吸收能力。ZmHAK1在低鉀條件下同樣表達(dá)上調(diào)，但其鉀轉(zhuǎn)運(yùn)能力不及ZmHAK5［43］。在甘蔗（Saccharum officinarum）中研究發(fā)現(xiàn)，SsHAK1和SsHAK21均具有鉀轉(zhuǎn)運(yùn)活性，可恢復(fù)酵母突變菌株的鉀離子吸收功能，滿足自身的高鉀營(yíng)養(yǎng)需求［44］。以上結(jié)果表明鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK在促進(jìn)植物鉀營(yíng)養(yǎng)吸收過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

3.2 影響植株生長(zhǎng)發(fā)育

鉀不僅是植物生長(zhǎng)所必需的元素，也是一種重要的細(xì)胞溶質(zhì)，鉀的缺失會(huì)限制植物細(xì)胞擴(kuò)張，HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過(guò)吸收鉀影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。利用田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，OsHAK5超表達(dá)水稻與野生型相比株高降低，分蘗增加，該基因敲除后植株株高同樣降低，但其分蘗數(shù)與野生型相比減少，結(jié)實(shí)率也大幅下降［45］。水稻OsHAK16敲除后影響了植株的生長(zhǎng)，與野生型相比植株根莖干重降低［26］。OsHAK1被敲除后植株蔗糖運(yùn)輸途徑受損，根系生長(zhǎng)較弱，發(fā)育遲緩，花粉活力、生育率與穗肥力均下降，敲除該基因后水稻根部與莖部生長(zhǎng)受阻，種子發(fā)芽率及谷物產(chǎn)量均小于野生型［13，41］。這些結(jié)果表明在影響水稻的生長(zhǎng)發(fā)育方面HAK鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮著重要作用。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，顯示含有CN-HAK1的煙草葉片厚度明顯比僅含CN和野生型的更厚（CN為TMV的一種抗性基因），這表明由HAK1引起的鉀營(yíng)養(yǎng)吸收改善了植物的生理狀態(tài)并影響植物組織的形態(tài)［46］。研究發(fā)現(xiàn)，在低鉀環(huán)境下，AtHAK5突變植株根長(zhǎng)與野生型相比明顯縮短［47］。過(guò)表達(dá)AtHAK5植株在低鉀培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，其根毛長(zhǎng)度和密度均比野生型增加，這表明AtHAK5可使擬南芥面對(duì)低鉀脅迫時(shí)作出適應(yīng)性形態(tài)改變，促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［48］。在擬南芥AtHAK5突變植株中過(guò)表達(dá)SiHAK1，發(fā)現(xiàn)在低鉀條件下SiHAK1彌補(bǔ)了AtHAK5突變后植物的生長(zhǎng)缺陷，其植株鮮重，根長(zhǎng)度均比AtHAK5突變體顯著增加，說(shuō)明SiHAK1也參與了低鉀環(huán)境下植物的形態(tài)學(xué)調(diào)整［42］。OsHAK21在擬南芥中的表達(dá)同樣完全恢復(fù)了AtHAK5突變體的低K+敏感表型［28］。因此，HAK家族在鉀介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用。

3.3 增強(qiáng)植物抗旱能力

干旱是常見(jiàn)的非生物脅迫，嚴(yán)重限制了作物的產(chǎn)量［49］。植物面對(duì)干旱脅迫的一種方式是通過(guò)積累K+等溶質(zhì)改善細(xì)胞滲透勢(shì)來(lái)減少水分流失，提高耐旱性。研究表明，水稻敲除OsHAK1后對(duì)干旱脅迫的耐受性較低，在營(yíng)養(yǎng)和生殖階段均表現(xiàn)為生長(zhǎng)發(fā)育不良，而OsHAK1過(guò)表達(dá)幼苗與野生型相比對(duì)干旱脅迫表現(xiàn)出更好的耐受性，且比野生型多出35%的糧食產(chǎn)量［50］。過(guò)表達(dá)NtHAK1可提高煙草對(duì)干旱脅迫的耐受性［51］。干旱脅迫下影響桑樹MaHAK5的表達(dá)水平［41］。由此表明，植物利用HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白增強(qiáng)自身的鉀積累，降低細(xì)胞滲透勢(shì)，增強(qiáng)抗旱能力。其次HAK家族可通過(guò)降低活性氧（Reactive oxygen species，ROS）積累量來(lái)維持植物體內(nèi)的水分平衡。干旱脅迫下，植物會(huì)積累活性氧，通過(guò)有氧代謝產(chǎn)生有害物質(zhì)，破壞DNA、蛋白質(zhì)和碳水化合物，引起細(xì)胞死亡［52］。與野生型相比，OsHAK1過(guò)表達(dá)植株具有較低的脂質(zhì)過(guò)氧化水平、較高的抗氧化酶活性（POX、CAT）和較高的脯氨酸積累，說(shuō)明OsHAK1通過(guò)減少ROS的積累來(lái)維持植物細(xì)胞穩(wěn)態(tài)［50］。以上研究結(jié)果表明，高親和鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK在降低細(xì)胞滲透勢(shì)、減少ROS積累及增強(qiáng)植物抗旱能力等方面發(fā)揮著重要的作用。

3.4 增強(qiáng)植物耐鹽性

高鹽環(huán)境利用膜通透性改變、代謝紊亂、有毒物質(zhì)積累等途徑造成植物生長(zhǎng)發(fā)育及形態(tài)的改變，植物維持胞內(nèi)K+/Na+穩(wěn)態(tài)對(duì)提高耐鹽性，保證自身生長(zhǎng)發(fā)育等方面發(fā)揮著重要的作用［53-54］。鹽脅迫環(huán)境下，水稻根莖部位OsHAK16表達(dá)水平顯著上升，該基因的表達(dá)增加了植株鉀含量但沒(méi)增加鈉積累，OsHAK16顯著改善了高鹽敏感型酵母突變體的生長(zhǎng)，提高植株耐鹽性［26］。鹽脅迫誘導(dǎo)了水稻根中OsHAK21的表達(dá)，OsHAK21突變體中凈Na+吸收率明顯提高，而凈K+吸收率被顯著抑制，OsHAK21的破壞擾亂了植株K+/ Na+穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致鹽超敏反應(yīng)［28］。OsHAK21、OsHAK27能 在342 mmol/L NaCl的酵母環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)，具有明顯的Na+抗性［25］。水稻OsHAK1具有鹽敏感性，高鹽環(huán)境下能促進(jìn)植物吸收鉀，增強(qiáng)對(duì)鹽的耐受性［13］。OsHAK5是一種對(duì)鈉不敏感的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過(guò)增加K+吸收、阻止Na+流入來(lái)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，過(guò)表達(dá)OsHAK5增加了水稻幼苗K+/Na+比值和對(duì)鹽脅迫的耐受性，敲除OsHAK5后則導(dǎo)致幼苗對(duì)鹽脅迫敏感［9，55］。以上結(jié)論證明HAK鉀轉(zhuǎn)運(yùn)家族在增強(qiáng)水稻耐鹽性方面發(fā)揮著重要作用。

擬南芥中AtHAK5進(jìn)行F130S點(diǎn)突變后增加了植物的鉀吸收，提高了其在酵母中的抗鹽能力，同時(shí)AtHAK1，AtHAK6，AtHAK2也 參 與 調(diào) 控 了 擬南芥的耐鹽渠道［56-57］。獐茅原產(chǎn)于沿海地帶，其AlHAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有使植物在高鹽環(huán)境下保持較高K+/Na+比的能力［37］。星星草（Puccinellia tenuiflora）是一種優(yōu)良的鹽生草，耐鹽性強(qiáng)，其PtHAK5鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在維持植株K+/ Na+比值，增強(qiáng)耐鹽性方面發(fā)揮重要作用［58］。鹽脅迫條件下，蘆葦植物中PhaHAK1、PhaHAK2介導(dǎo)的K+持續(xù)吸收和保持植株高K+/Na+比是導(dǎo)致蘆葦具有高度耐鹽性的原因之一［17，38］。高鹽環(huán)境下超表達(dá)外源基因AlHAK1可維持棉花（Gossypiumspp.）中較高的K+/Na+比，提高了轉(zhuǎn)基因棉花的抗鹽能力［59］。海草CnHAK1在高鹽環(huán)境維持植物K+/Na+穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，在海水中K+濃度為11 mmol/L 時(shí)進(jìn)行鉀的低親和轉(zhuǎn)運(yùn)［39］。煙草NrHAK1插入酵母細(xì)胞后能使其在鹽脅迫環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)［40］。面對(duì)鹽脅迫時(shí)OsHAK5提高了煙草BY2細(xì)胞的耐鹽性，促進(jìn)其生長(zhǎng)［55］。大麥HvHAKI可使K+攝取缺陷型酵母進(jìn)行高親和力K+攝取，并介導(dǎo)其進(jìn)行低親和力Na+攝?。?1］。在酵母實(shí)驗(yàn)中谷子SiHAK1表現(xiàn)出高度的Na+不敏感性，甚至能在750 mmol/L的Na+環(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)，且比HvHAK1更能忍受高鹽環(huán)境［42］。研究表明，辣椒CaHAK1在鹽脅迫下也促進(jìn)植物K+吸收，具有明顯耐鹽性［31］。以上結(jié)果表明，高親和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK參與了植物對(duì)鹽分脅迫的反應(yīng)，在維持植株K+/Na+穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。

3.5 增強(qiáng)植物抗病性

鉀營(yíng)養(yǎng)充足有利于維持植株良好的生理狀態(tài)，減輕真菌、細(xì)菌及病毒對(duì)作物造成的危害，增強(qiáng)植物抗病性［60-62］。研究表明，接種煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）的CN-HAK1共 表 達(dá)煙草相比CN轉(zhuǎn)基因煙草和野生型部分抑制了植株HR反應(yīng)，與野生型相比也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的植株矮化，葉片畸形等癥狀，這表明煙草通過(guò)HAK1改善了植物細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)狀況，增強(qiáng)了植株對(duì)TMV的抵抗力。通過(guò)對(duì)抗氧化酶（AOEs）SOD、CAT、POD活性、水楊酸（SA）含量及相關(guān)抗性基因表達(dá)量的檢測(cè)，證明CN與HAK1在轉(zhuǎn)基因煙草中協(xié)同增強(qiáng)了對(duì)TMV的抗性，這些結(jié)論證明HAK1可能通過(guò)參與SA防御途徑增強(qiáng)了煙草的TMV抗性，將病毒限制在比較小的壞死斑點(diǎn)中［46］。鉀營(yíng)養(yǎng)充足有助于植物胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)和免疫，相反鉀營(yíng)養(yǎng)的流失可能觸發(fā)病原相關(guān)分子模式（PAMP）［63-64］。ILK1是一種改變植物生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)植株對(duì)flg22的反應(yīng)和對(duì)高鹽高鉀的耐受性、提高對(duì)細(xì)菌病原體抵抗力的體外活性激酶［65-67］。HAK5可與ILK1激酶相互作用，其既可以促使植物在低鉀的環(huán)境中生長(zhǎng)，又能夠促進(jìn)對(duì)flg22誘導(dǎo)的響應(yīng)。植物響應(yīng)flg22誘導(dǎo)后根系生長(zhǎng)受抑制，而HAK5突變體則破壞了這種抑制，HAK5突變細(xì)胞和用TEA（K+通道阻止程序）處理后的葉盤均表現(xiàn)出去極化速度顯著降低的現(xiàn)象，說(shuō)明K+轉(zhuǎn)運(yùn)是flg22誘導(dǎo)的植物生長(zhǎng)抑制和PM去極化所必需的。這些證據(jù)表明，由HAK5和ILK1介導(dǎo)的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)影響了植物的免疫和應(yīng)激反應(yīng)，參與植物抗病性［68］。以上研究表明，HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不僅增強(qiáng)植物鉀營(yíng)養(yǎng)積累，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高抗旱耐鹽能力，在植物抗病方面也發(fā)揮著十分重要的作用。

4 結(jié)論與展望

高親和K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK通過(guò)提高植物鉀離子的吸收，從而在增強(qiáng)植物對(duì)于病蟲害及高鹽干旱等脅迫的耐受性等方面發(fā)揮著重要作用。目前關(guān)于高親和K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAK作用機(jī)理的研究雖取得了一定進(jìn)展，但是仍處于初步階段。首先該蛋白的許多功能還尚待發(fā)掘，目前HAK轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只解析了當(dāng)植物面對(duì)高鹽和干旱兩種非生物脅迫的響應(yīng)過(guò)程，對(duì)HAK蛋白如何提高植物的抗病性也只停留在初步階段，當(dāng)面對(duì)病蟲害時(shí)HAK如何調(diào)控植物增強(qiáng)耐受性的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步解析。其次HAK如何協(xié)作相關(guān)基因發(fā)揮功能的機(jī)理也尚未解析。最后應(yīng)考慮如何將HAK鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，如何應(yīng)用分子育種和基因工程技術(shù)，將能介導(dǎo)植物鉀營(yíng)養(yǎng)吸收，改善植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物的耐鹽抗旱及抗病性的HAK基因轉(zhuǎn)入農(nóng)作物，提高農(nóng)作物的鉀營(yíng)養(yǎng)吸收能力及對(duì)生物和非生物脅迫的耐受性，增加作物產(chǎn)量。