研究人员指出植物是在哪里以及如何检测到钾元素的

时间：2021-03-25 00:00:00 来源：网络整理

钾是所有生物必需的营养物质。植物需要大量的水分，特别是为了生长和更好地抵抗逆境。因此，它们从土壤中吸收大量的钾。在农业中，这会导致土壤中有效钾的缺乏——这就是为什么这种矿物质是肥料中的重要成分。由德国和中国的研究人员组成的研究小组目前首次展示了植物在何处以及如何检测其根部的缺钾，以及哪些信号通路协调根系生长和钾吸收的适应，以维持植物的钾供应。

背景:钾在单个细胞水平上的吸收和转运已经被比较好地描述了，并且许多在这些过程中起作用的分子结构和机制是已知的。此外，研究人员在几十年前就证明，植物对缺钾的适应非常特殊。然而，植物如何检测土壤中钾的有效性，以及植物机体的适应反应背后的机制仍然是一个谜。这项新研究阐明了这些问题。研究结果发表在《发育细胞》杂志上

观察结果与教科书相矛盾

研究人员检测了用新开发的钾报告蛋白GEpII转化的芥蓝(拟南芥)。该报告蛋白能够显微检测细胞和组织中钾离子的浓度和分布。即使没有钾缺乏症，研究小组也有一个非常惊人的发现:这种营养物质在细胞质中的浓度随着根内每一层细胞的增加而增加，从外到内。

“这些观察结果真的令人惊讶，”Münster(德国)大学植物生物学和生物技术研究所的J?rg Kudla教授说。“教科书上说营养物质是从外到内均匀地传递到根的维管组织，不仅从一个细胞传递到另一个细胞，而且还通过细胞间隙传递。”

“钾敏感生态位”对缺钾有反应

研究小组随后研究了根系对缺钾的反应。通过这样做，他们首次证明了如果植物遭受钾缺乏，钾的浓度只有在根尖的某些细胞内降低。这些“分生后细胞”直接位于根尖上的活性干细胞之上，对缺钾反应极为迅速;细胞内(细胞质内)钾的浓度在几秒钟内下降。以前人们并不知道位于根尖中心的某一组细胞会对周围环境中的钾缺乏做出反应。研究人员将这组细胞命名为“钾敏感生态位”。

库德拉说:“这些观察结果也非常令人惊讶。”“如果植物缺钾，只有钾敏感生态位的细胞会发生反应;其他根细胞中的钾离子浓度保持不变。此前，人们想当然地认为，最外层的细胞，即表皮，会首先对土壤中钾浓度的降低做出反应。”

看钾离子的路径

随着钾敏感生态位中钾离子浓度的降低，钙信号在这些细胞中发生并向根部扩散。作为一种信使物质，钙控制着生物体的许多过程——就像它在这里一样:钙信号开始了一个复杂的分子信号级联。这一信号链是研究人员首次详细定义的，它最终不仅会导致钾运输蛋白的形成增加，还会导致根系组织分化的变化。这有助于更有效地吸收钾离子，并维持其在植物中的分布。库德拉说:“这是我们第一次使用成像方法，可视化钾在活的有机体中的路径。”

研究结果为植物在哪里检测到必需养分钾的有效性以及它们如何适应钾提供了基本的见解。了解这些过程可以在未来帮助培育更好的农业作物，并以更量身定做的方式使用化肥。

的方法

为了可视化钾在植物根部的分布，研究人员使用了特殊的显微镜方法(例如F?rster共振能量转移，FRET)，结合钾、钙和过氧化氢的传感器蛋白质。为了研究分子机制，研究人员制造并比较了转基因拟南芥，这些植物由于不同的基因突变，表现出缺钾症状。他们使用了多种遗传、分子生物学和生化方法来识别和表征参与钾和钙信号传输的蛋白质和机制。

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