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1、专题二 植物的矿质营养及代谢,专题二 植物的矿质营养及代谢,高级植物生理学专题二课件,一、植物的的氮素营养,土壤氮素,有机氮是主要存在形式,土壤有效态氮主要是硝态氮和铵态氮,在通气良好的土壤中，微生物的硝化作用将铵态氮转化为植物易于吸收利用的硝态氮,缺氧的水田环境中，铵态氮是主要的存在形式,一、植物的的氮素营养土壤氮素有机氮是主要存在形式土壤有效态氮,（一）植物对NO3-的吸收,1.植物吸收NO3的生理机制,根系对NO3的吸收主要依赖于主动吸收系统，它是一个跨质膜的2H+/1 NO3同向转运过程，需由跨质膜的质子电化学势梯度提供能量,（一）植物对NO3-的吸收1.植物吸收NO3的生理机制根系,
2、（4）在根系共质体中运移，通过木质部运往地上部，进入叶肉细胞，在那里被还原或者储存在液泡中,NO3通过根表皮细胞进入共质体的根细胞原生质后，主要有4种去向,（1）在根硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的作用下，还原为NH4+，进而同化成蛋白质,（2）跨越质膜流入质外体,（3）储存于液泡,（4）在根系共质体中运移，通过木质部运往地上部，进入叶肉细胞,高亲和力转运系统（High affinity transport system,HATS）,诱导型高亲和力转运系统（inducible HATS,iHATS）,组成型高亲和力转运系统（constitutive ATS,cHATS）,对NO3具有较高的亲和力，K
3、m和Vmax相对较高,Km、Vmax相对较低,高亲和力转运系统诱导型高亲和力转运系统组成型高亲和力转运系统,低亲和力转运系统（low affinity transport system,LATS）,LATS存在组成型和诱导型,当外界NO3浓度较低时，根系吸收NO3主要依赖于高亲和力转运系统，当外界NO3浓度高于1mmol/L时，主要依赖于的低亲和力转运系统,低亲和力转运系统LATS存在组成型和诱导型当外界NO3浓度,低浓度情况下，NO3的吸收遵循Michaelis-Menten动力学曲线，其净吸收是饱和的，即净吸收增加幅度较小，对NO3的呈现出较高的亲和力；外界浓度高下，NO3流入与外界NO3
4、浓度呈现出线性关系,HATS和LATS存在相同的运输机制，都依赖H+共运输的转运系统,低浓度情况下，NO3的吸收遵循Michaelis-Ment,2.植物吸收NO3的分子机制,53个低亲和力转运蛋白NRT17个高亲和力转运蛋白NRT2CLC（choride channel family）家族中 位于液泡膜上的AtCLCa,拟南芥：全基因组测序预测了参与到硝酸根的吸收转运过程的蛋白,2.植物吸收NO3的分子机制53个低亲和力转运蛋白NRT1,53个低亲和力转运蛋白NRT1中目前已经有,因此NRT1家族称为PTR(peptide transporer)家族,8个基因被鉴定为NO3转运蛋白编码基因3
5、个被鉴定为有机氮形式的寡肽转运蛋白基因,53个低亲和力转运蛋白NRT1中因此NRT1家族称为PTR(,高级植物生理学专题二课件,NRT1.2NRT1.1 吸收,NRT2.1 NRT1.2NRT2.2 NRT2Uptake,NRT1.4叶柄存储,微管组织木质部/韧皮部,NRT1.8,嫩叶,CLCe液泡存储,NRT1.6转运到种子,NRT2.7液泡存储,NRT1.7韧皮部装载,老叶,木质部装载,NRT1.8,NAXT1,efflux,CLCa液泡存储,NRT1.5,植物中已知的硝酸盐转运蛋白的功能示意图,NRT1.2NRT2.1 NRT1.2NRT1.4微管组织N,NRT2家族,真菌的crnA基因
6、,crnA具有双重转运机制。它可感受外界的NO3浓度变化，采取质子偶联的主动转运方式或者是节省能量的被动转运机制,单细胞绿藻中分离到两个crnA的同源基因CrNRT2.1和CrNRT2.2。二者在单独存在的情况下都不能运转NO3，必须和一个辅助蛋白CrNAR2结合才能运转NO3,NRT2家族真菌的crnA基因crnA具有双重转运机制。它可,拟南芥中有7个基因属于NRT2家族,负责较低NO3浓度情况下的NO3吸收,AtNRT2.1,AtNRT2.2,AtNAR2.1,复合体,AtNAR2.1,AtNAR2.2,没有同源性,拟南芥中有7个基因属于NRT2家族负责较低NO3浓度情况下,NRT2.4,
7、NRT2.1,NRT2.2,NRT2.3,NRT2.5,NRT2.6,NRT2.7,调控种子中的NO3含量，以此影响种子的休眠,NRT2.4NRT2.1NRT2.2NRT2.3NRT2.5,（二）植物对铵态氮的吸收,1.植物吸收铵态氮的生理机制,森林和草地生态系统中，NH4+通常是植物根部可利用的主要无机氮。农田土壤中的铵比较容易扩散，因此植物根际实际NH4+的浓度比较低,（二）植物对铵态氮的吸收1.植物吸收铵态氮的生理机制森林和草,低亲和力转运系统,植物体内NH4+浓度的高低受NO3/NH4+和NO3同化协同作用的调节，同时也受到植物蒸腾速率以及昼夜节律调控。,高亲和力转运系统,外界NH4+
8、离子浓度低于1mmol/L时，主要是高亲和力转运系统承担NH4+的吸收,外界NH4+离子浓度高于1mmol/L时，低亲和转运系统被激活并承担主要的作用,低亲和力转运系统植物体内NH4+浓度的高低受NO3/NH4,2.植物吸收铵态氮的分子生物学,NH4+同化需要的能量比NO3少，当植物缺氮的时候，NH4+被优先吸收,AMT转运蛋白,都具有类似的拓扑结构，有1011个跨膜区，其N端位于质外体，C端在细胞质内。AMT的蛋白质序列和结构在C端具有高度的保守性,2.植物吸收铵态氮的分子生物学NH4+同化需要的能量比NO3,高亲和力转运蛋白AMT1家族,低亲和力转运蛋白家族AMT2,水稻中发现了分属5个亚
9、家族的12个AMT1基因,拟南芥中只发现了6个基因，其中5个位于AMT1家族，一个位于AMT2,高亲和力转运蛋白AMT1家族低亲和力转运蛋白家族AMT2水稻,AtAMT1.1、 AtAMT1.2、 AtAMT1.3和 AtAMT2.1在根部表达较强，都受到缺氮诱导上调，且全部定位于细胞质膜,AtAMT1.1和 AtAMT1.3都在根表皮和皮层细胞上表达，AtAMT1.1在地上部分的表达也较强,AtAMT1.3在地上部分的表达较弱，具有典型的昼夜变化规律，调控根部C和N之间的代谢平衡,AtAMT1.1、 AtAMT1.2、 AtAMT1.3这三个基因负责了拟南芥90%的NH4+吸收,AtAMT1
10、.1、 AtAMT1.2、 AtAMT1.3和,AtAMT1.5定位于细胞膜上，在根表皮和根毛中都有表达。在正常供应氮素情况下，AtAMT1.5在根部的表达很低，具有最强的缺氮诱导响应,AtAMT1.4主要在花粉细胞中特异表达，整体的表达强度在6个AtAMT基因中是最低的。其突变体尚未表现出任何表型，花粉发育也正常。,AtAMT1.5定位于细胞膜上，在根表皮和根毛中都有表达。在,（三）植物对尿素的吸收,尿素常用于叶面喷施，实现对植物氮素营养的最佳管理,尿素氮肥主要施于土壤，通过根部吸收氮营养,尿素,脲酶,CO2,NH3,硝化作用,NO3,+,（三）植物对尿素的吸收尿素常用于叶面喷施，实现对植物
11、氮素营养,低等植物轮藻的巨型细胞,14C尿素和膜片钳技术,细胞吸收尿素相关的动力学常数至少有两种，表明可能存在两类不同的转运体系,水稻,供应根部尿素浓度为3mmol/L的营养液，便能使水稻上部尿素积累浓度高达7075mmol/L。,缺镍引起脲酶活性降低,观察到水稻根部积累尿素的总量与植株的水分蒸腾量呈线性正相关,在无土壤微生物存在的条件下，外源尿素很可能被植物根系直接吸收，并在未降解的情况下转运至地上部。,低等植物轮藻的巨型细胞14C尿素和膜片钳技术细胞吸收尿素相关,当尿素浓度介于0.21.2mmol/L时，尿素进入根细胞的量与外界浓度则呈线性动力学关系。,在低浓度尿素下，缺氮的野生型拟南芥根
12、系吸收尿素具有典型的酶动力学特征,高亲和力系统,低亲和力系统,高亲和力尿素转运蛋白AtDUR3,位于液泡膜上的尿素通透酶AtTIPs,AtDUR3具有14个跨膜结构域且定位于质膜上，调节高亲和H+-尿素共转运。在地上部表达量很低，在种子发芽早期和氮素缺乏的根中表达量上调,当尿素浓度介于0.21.2mmol/L时，尿素进入根细胞的,（四）植物对氮的同化和代谢,1.硝态氮的还原,NR是催化氮同化的第一个关键酶，是氮代谢的限速因子,（四）植物对氮的同化和代谢1.硝态氮的还原NR是催化氮同化的,筛选NR缺乏突变体是研究NR功能的重要手段。一般利用氯酸盐来筛选NR突变体,NR同工酶,NIA1,NIAR2
13、,在植物地上和地下部分均有表达，主要定位于根的表皮和皮层细胞，以及叶肉细胞的胞液中,催化NO3-还原中发挥了主要作用，占全部NO3-还原酶活性的90%左右,NIR1只贡献10%的催化活性,筛选NR缺乏突变体是研究NR功能的重要手段。一般利用氯酸盐来,NR的表达以及活性受到严格调控，主要通过NR基因的转录和翻译后水平调控来实现,NO3-可以迅速诱导NR的表达，蔗糖、激动素等也可以增加NR的表达量,NH4+、Gln、Glu、苹果酸等通过反馈调节方式抑制NR的表达,NR的表达以及活性受到严格调控，主要通过NR基因的转录和翻译,NIR是一个核基因编码蛋白,蛋白前体含有594个氨基酸，在其N 端有32个
14、氨基酸的导肽，切除导肽后，成熟的NIR被转运到叶绿体或质体中发挥催化功能,NIR的表达受NO3-、光线等的诱导，下游氮代谢产物则抑制其表达,NIR是一个核基因编码蛋白蛋白前体含有594个氨基酸，在其N,2.铵态氮的同化,NH4+在叶绿体或质体中经GS/GOGAT循环参与到氨基酸和蛋白质的代谢过程中。主要有4种关键酶：谷氨酰胺合成酶（GS)谷氨酸合成酶(GOGAT)谷氨酸脱氢酶(GDH)天冬酰胺合成酶(AS),2.铵态氮的同化 NH4+在叶绿体或质体中经GS/GOGAT,谷氨酸谷氨酸,GS,GS1,GS2,主要在不具有光合作用的细胞中表达,GLN1.1,GLN1.2,GLN1.3,GLN1.4,
15、受缺氮诱导，在NH4+过量的情况下受到抑制,受NH4+诱导,表达则受到高浓度的Glu的抑制,受到氮饥饿诱导，其诱导水平要低于GLN1.1,是由一个定位于叶绿体的基因编码,GSGS1GS2主要在不具有光合作用的细胞中表达GLN1.1,GS1主要参与根部NH4+的固定、定位于植物维管系统中，在植物衰老过程中表达增强，把毒性较强的NH4+催化转变为无毒的Gln形式，便于储存和转运，提高氮的利用效率,GS2的主要功能是把叶绿体中NO3-还原和光呼吸过程中产生的NH4+转化为Gln，其基因表达与光密切相关，受到光敏色素的激活，同时也受到组织状况、糖类、氨基酸供应和光呼吸的影响,GS1主要参与根部NH4+
16、的固定、定位于植物维管系统中，在植,GOGAT,Fd-GOGAT,NADH-GOGAT,Fd-GOGAT占GOGAT活性的95%。主要存在植物叶片的叶绿体中，光诱导其的合成，并参与了光合作用和光呼吸过程,主要在非光合组织中的质体中表达,GOGATFd-GOGATNADH-GOGATFd-GOGA,GDH,定位于线粒体中，并依赖于NADH的GDH,定位于叶绿体中并依赖于NADPH的GDH,GDH存在多种植物组织中，其活性受到黑暗和衰老等条件的调控，在植物适应黑暗条件的生长中发挥了必要的作用,GDH定位于线粒体中，并依赖于NADH的GDH定位于叶绿体中,Asp,Gln,AS,ATP,Glu,Asn
17、,拟南芥中有三个AS同源基因：ASN1、ASN2、ASN3,AS活性受环境条件和代谢信号的调控：当把植物从光照转移至黑暗时，会引起AS活性升高和Asn含量增加。,天冬酰胺有较高的N/C比，可以用作长距离转运物和氮贮存物，是植物尤其是豆科类植物体内氮再分配的主要载体形式。,AspGlnASATPGluAsn拟南芥中有三个AS同源基因,光下,高水平碳减少,低有机氮,蔗糖,草酰乙酸,AspAT,谷氨酸,天冬氨酸,-酮戊二酸,GOGAT,谷氨酸,GDH,谷氨酰胺5C:2N,NH4+,-酮戊二酸,AS,谷氨酸,天冬酰胺4C:2N,GS,-酮戊二酸,暗中,低水平碳减少,高有机氮,NH4+,NH4+,GDH
18、,植物体内氨基酸合成示意图,光下 高水平碳减少低有机氮蔗糖草酰乙酸A,3.尿素的代谢,植物体内尿素的主要来源于以下两个途径,1.精氨酸分解,精氨酸,精氨酸酶,鸟氨酸,尿素,脲酶,铵,GS-GOGAT循环,+,线粒体,精氨酸酶和脲酶协同作用对种子萌发时的氮素利用和再分配具有重要的生理意义,3.尿素的代谢植物体内尿素的主要来源于以下两个途径1.精氨酸,研究水稻中脲酶基因UreD、UreF和UreG，发现脲酶和精氨酸活性不受外界氮源的影响，但是将尿素作为唯一氮源将会影响植物体内氨基酸组分，从而导致天冬酰胺和谷氨酰胺在根中的积累,酰脲由嘌呤分解产生，它是一些结瘤植物氮素的主要运输形态。酰脲主要积累在豆
19、科和非豆科植物幼苗及高氮碳平衡生长条件下的衰老子叶中。,2.酰脲（主要有尿囊素和尿囊酸）代谢,研究水稻中脲酶基因UreD、UreF和UreG，发现脲酶和精,精氨酸,鸟氨酸,瓜氨酸,精氨酸酶,蛋白质分解,腐胺,鲱精胺,尿素,液泡,尿素,DNA和RNA分解,嘌呤,黄嘌呤,尿酸,尿囊素,尿囊酸,乙醛酸,刀豆氨酸,刀豆酸,脲酶,氨,氮素的同化,外界环境中的尿素,TIPs,LAT,HAT,?,线粒体,精氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸酶蛋白质分解腐胺鲱精胺尿素液泡尿素D,二、植物对磷的吸收和转运,（一）植物对磷的吸收及转运概况,吸收偏磷酸和焦磷酸，被吸收后转化为正磷酸盐,H2PO4最易被吸收，HPO42-次之，P
20、O43-最难吸收,植物吸收的磷主要来自于土壤,吸收有机磷化合物,大麦、小麦和菜豆等作物能吸收磷酸甘油和磷酸己糖，水稻能吸收尿嘧啶、核苷酸和核酸。,二、植物对磷的吸收和转运（一）植物对磷的吸收及转运概况吸收偏,植物对磷的吸收,主动吸收,被动吸收,胞饮作用,磷通常与H+共运输，一般植物每吸收1分子H2PO4至少伴随2个或2个以上的H+进入根细胞,磷被吸收,转化为磷酸己糖和二磷酸尿苷等,无机磷,运到中柱导管向地上部输送,植物对磷的吸收主动吸收被动吸收胞饮作用磷通常与H+共运输，一,磷在植物体内容易移动,叶中的磷酸盐,根吸收,老叶转化移动过来,在缺磷条件下，植株体内的磷从不活跃的部位移动到生长活跃的部
21、分，供新生组织生长,油菜提高磷利用效率的重要途径,磷在植物体内容易移动叶中的磷酸盐根吸收老叶转化移动过来在缺磷,（二）根系与磷吸收,长期耕作条件下，土壤有效磷主要集中于上层土壤，因此形态构型对于有效磷的吸收具有重要影响,根系形态,根毛、根直径和根冠等的表面特征,根构型,是根系在发育过程中形成的三维空间分布,根系形状,根系结构,通过根深、侧根的生长、根长密度和基根生长角度（根系向地性）等来定量,通过组成根系的各个部分（包括单条根、根段等）的变化以及它们之间的相互关系来描述,（二）根系与磷吸收长期耕作条件下，土壤有效磷主要集中于上层土,根毛,通过增大根表面积来增加根系对磷的吸收。由于根毛比根细小，
22、其周围更易于产生较大的浓度梯度，有利于作物对低有效性养分（如磷）的吸收,根毛可作为养分高效、抗逆、高产作物类型的一个重要形态指标,根毛通过增大根表面积来增加根系对磷的吸收。根毛可作为养分高效,高级植物生理学专题二课件,侧根,在土壤条件下，侧根对环境的刺激，特别是养分有效性高度敏感,低磷浓度促进侧根分枝分化，但对侧根和主根伸长有抑制作用。侧根主要通过分枝，增加根系接触土壤的面积，提高对磷的吸收。,侧根在土壤条件下，侧根对环境的刺激，特别是养分有效性高度敏感,簇生根,是指在正常植物根上生长的毛状小根，是一种特殊的侧根,簇生根能分泌质子，有机酸和酶类，活化土壤中难溶无机磷和有机磷，提高磷有效性，促进
23、磷吸收,增加根系接触土壤的面积，减少磷扩散到根表路径的长度，促进磷吸收,簇生根是指在正常植物根上生长的毛状小根，是一种特殊的侧根簇生,根系向地性,指植物根系相对于重力矢量以一定角度生长的趋势,根系向地性决定了植物根系的框架，即整个植物根系沿土壤剖面分布的深浅,根系向地性指植物根系相对于重力矢量以一定角度生长的趋势根系向,土壤养分分布均匀的条件下，不同根构型植物对土壤磷吸收效率差异不大,上层富磷、中下层缺磷的情况下，浅根型植物的磷吸收效率较高,植物根系，包括基根、侧根和不定根的向地性变化对养分吸收具有重要影响,基根生长角度（即基根向地性）是由数量遗传性状（QTLs）控制的，并且一些控制基根向地性
24、的QTLs与控制植物磷吸收效率的QTLs连锁,土壤养分分布均匀的条件下，不同根构型植物对土壤磷吸收效率差异,（三）根系分泌物与磷吸收,土壤中的磷大部分被有机物或铁铝的氧化胶膜固定为不宜被植物吸收利用的无机或有机磷，这些被固定的磷只有活化后才能被植物吸收利用,根系分泌物是根系在生长过程中分泌到介质中的所有化合物的总称。通过改变根际物理、化学及其生物学性质，提高根际土壤养分的生物有效性，促进作物的生长,（三）根系分泌物与磷吸收土壤中的磷大部分被有机物或铁铝的氧化,1.有机酸,土壤中难溶的无机态磷占土壤全磷的35%70%,植物种类不同分泌的有机酸种类不同,在磷胁迫下，白羽扇豆的簇生根大量分泌柠檬酸，
25、释放量达到总干重的11%23%。苜蓿幼苗在缺磷条件下根系向外分泌柠檬酸、苹果酸和丁二酸。,1.有机酸土壤中难溶的无机态磷占土壤全磷的35%70%植物,磷高效基因型菜豆柠檬酸分泌量显著高于磷低效基因型磷效率不同的大豆基因型在磷胁迫下根系有机酸的分泌量不同，磷高效基因型柠檬酸的分泌量显著高于磷低效品种。,不同基因型有机酸的分泌量存在显著差异,表明有机酸的分泌与作物磷效率密切相关,磷高效基因型菜豆柠檬酸分泌量显著高于磷低效基因型不同基因型有,有机酸对磷酸盐的活化能力与有机酸种类、浓度和无机磷酸盐种类有关,不同有机酸活化磷酸盐的能力不同：,柠檬酸草酸酒石酸苹果酸,随着有机酸处理浓度的增加，磷的活化率基
26、本呈增加趋势,柠檬酸对红壤Al-P、 Fe-P以及磷酸二钙和八钙的活化能力强于草酸，对闭蓄态（O-P）的活化能力弱于草酸,有机酸对磷酸盐的活化能力与有机酸种类、浓度和无机磷酸盐种类有,同一种有机酸对红壤不同形态磷酸盐活化量均随pH的升高而降低,而在同一酸度下，其活化量以铝磷为最多，铁磷和钙磷次之，闭蓄态磷则最少,有机酸,Fe3+、Al3+、Ca2+,多聚体,移动到根系表面,H+,H2PO4-,植物吸收利用,还原物质,同一种有机酸对红壤不同形态磷酸盐活化量均随pH的升高而降低而,2.磷酸酶,土壤中难溶的有机态磷占全磷的30%65%,磷酸酶是水解酶类，能催化生物系统中磷酸单酯键的水解。,磷酸酶是适
27、应性酶或诱导酶类，当植物收到磷营养胁迫时，根系细胞外层空间磷酸酶活性都会增强,2.磷酸酶土壤中难溶的有机态磷占全磷的30%65%磷酸酶是,蛋白磷酸酶,碱性磷酸酶,酸性磷酸酶,酸性磷酸酶的最适pH低于7，由基因结构不同的一组同工酶组成,水解活性能将难以被植物利用的有机磷中的磷以无机磷的形式释放出来，提高植物对土壤有机酸的分解利用及植株体内有机磷的再利用能力,蛋白磷酸酶碱性磷酸酶酸性磷酸酶酸性磷酸酶的最适pH低于7，由,低磷胁迫下，一些酸性磷酸酶基因表达加强,试图找出酸性磷酸酶活性与作物磷效率的关系，为作物磷效率的遗传改良提供依据,磷效率不同的植物种类所分泌的磷酸酶活性不同。,磷高效的荞麦比磷低效
28、的玉米具有较高的磷酸酶活性。,荞麦的磷酸酶活性随苗龄的增加而增加，而玉米磷酸酶活性则随苗龄的增加而减少,菜豆磷高效基因型G19833的紫色酸性磷酸酶基因PvPAP3在低磷条件下的表达量就显著高于磷低效基因型DOR364,磷酸酶活性存在显著基因型差异,低磷胁迫下，一些酸性磷酸酶基因表达加强试图找出酸性磷酸酶活性,（四）磷转运蛋白与磷的吸收转运,1.磷转运蛋白的分类及其功能,具有将磷从低浓度（110mol/L）的外部介质转运到磷浓度高出千倍的细胞质的功能。编码高亲和力磷转运蛋白的基因主要为诱导型表达，在磷饥饿的根中优先表达，并且在根毛和根表皮细胞中优先表达。,高亲和力磷转运蛋白,（四）磷转运蛋白与
29、磷的吸收转运1.磷转运蛋白的分类及其功能具,磷转运蛋白沿磷饥饿植物的整条根都有分布，沿整条排根都可以观察到相对一致的磷吸收速率，说明磷转运蛋白沿排根是均匀分布的。,高亲和力的磷转运蛋白在植物的其他器官（如叶、茎、芽和花）出现。,表明磷饥饿条件下植物具有较大吸收，运转磷的潜力,说明植物高亲和力磷转运蛋白不仅具有吸收磷的功能，还具有体内运转磷的功能,磷转运蛋白沿磷饥饿植物的整条根都有分布，沿整条排根都可以观察,是磷素供应充足条件下植物吸收和转运磷的系统。编码低亲和力的磷转运蛋白基因主要为组成型表达。,低亲和力磷转运蛋白,低亲和力的磷转运蛋白也参与植物体内磷的运转,一些磷转运蛋白可能是双亲和的磷转运
30、蛋白,是磷素供应充足条件下植物吸收和转运磷的系统。编码低亲和力的磷,磷转运蛋白分为五大家族,Pht1,Pht2,Pht3,Pho1,Pho2,大多数Pht1成员是高亲和力的磷转运蛋白，属于Pi-H+共转运蛋白，主要位于根系细胞膜上，负责根系对介质磷的吸收。,在植物的其他组织（如叶、茎、芽和花）也有表达，负责磷在体内的转运。发现存在于根系与菌根真菌及根系与根瘤菌的共生体系中，表明它们对共生体系中磷的吸收和交换起重要作用,位于质体内膜上，负责将细胞质中的无机磷转入质体，对Pi在植物体内的分布起重要作用,拟南芥上的AtPht2.1不受磷诱导，而受光的诱导表达，负责Pi在叶片中的分布,位于线粒体膜上，
31、负责线粒体内外Pi的交换,主要负责将Pi由根系薄壁细胞载入木质部维管束中运向地上部,主要负责Pi进入韧皮部向根系运输,磷转运蛋白分为五大家族Pht1Pht2Pht3Pho1Pho,2.磷转运蛋白的结构特征,磷转运蛋白在结构上具有高度的相似性，是进化过程中保留下来的最原始的蛋白,植物磷转运蛋白属于易化物超级家族（MFS）的第九亚族,MFS：多肽载体大家族中的成员，利用化学渗透势梯度来运输小的溶质分子。包括运载蔗糖、核苷酸、Pi及其他简单离子的载体,2.磷转运蛋白的结构特征磷转运蛋白在结构上具有高度的相似性，,一个综合性的载体蛋白在膜中定向排列的结构模型,一个综合性的载体蛋白在膜中定向排列的结构模
32、型,（五）磷饥饿信号调控网络,PHR1属于一类MYB-CC转录因子家族。该蛋白以二聚体的形式特异性地结合在磷饥饿诱导表达基因启动子区域的一个顺式作用元件上，从而调控这些基因在磷饥饿胁迫下诱导表达。,PHR1基因,（五）磷饥饿信号调控网络PHR1属于一类MYB-CC转录因子,PHR1功能丧失的拟南芥突变体,缺磷条件下磷饥饿诱导基因的诱导表达被抑制,磷饥饿胁迫下诱导地上部花色素苷合成的反应受到了阻断,磷在地上部及地下部间的分配发生了改变，同时，在磷饥饿胁迫下体内糖和淀粉的积累也远低于野生型,AtIPS1和At4、核糖核酸酶RNS1、酸性磷酸酶AtACPs及高亲和性酸性转运体AtPT1,PHR1在磷
33、吸收代谢中的重要性,PHR1功能丧失的拟南芥突变体缺磷条件下磷饥饿诱导基因的诱导,PHR1及其类似蛋白PHL1共同调控着拟南芥基因组中绝大多数缺磷诱导及抑制表达的基因的转录水平,PHR1直接调控基因中都存在PIBS顺式元件。,PHR1及其类似蛋白PHL1作为中心调控因子整合磷饥饿信号调节基因组表达，从而应对磷饥饿胁迫。,PHR1及其类似蛋白PHL1共同调控着拟南芥基因组中绝大多数,PHR1的类泛素化修饰也是植物响应磷饥饿胁迫的一种调控方式,磷饥饿胁迫下，该突变体种子根伸长抑制和侧根诱导程度都要强于野生型。,磷相关突变体siz1,磷饥饿诱导表达基因对磷饥饿胁迫响应的速率也要低于野生型,SIZ1编
34、码一个类泛素化E3连接酶，PHR1是类泛素化修饰的一个靶蛋白,PHR1的类泛素化修饰也是植物响应磷饥饿胁迫的一种调控方式磷,特异性的小分子RNA也参与磷饥饿信号调控,E2结合酶活性的下降能够特异性地增强植物体内的磷从地下部朝地上部转运。,mir399是一类受磷饥饿特异性表达的microRNA,该miRNA的缺磷诱导依赖于PHR1,miR399能够特异性地与一个编码泛素降解途径的E2结合酶mRNA5非翻译区结合，从而导致该mRNA的降解,miR399和PHO2处于磷信号网络中PHR1基因的下游,特异性的小分子RNA也参与磷饥饿信号调控E2结合酶活性的下降,低磷,PHO2,miR339,Pi,Ph
35、t1:8Pht1:9,低磷PHO2miR339PiPht1:8,小分子的非编码RNA基因IPS1,该非编码RNA基因是PHR1的直接调控基因，其RNA序列中存在着一个能与miRNA399序列互补的区段。抑制miRNA399的功能，实现对磷饥饿信号及体内平衡的微调,SPX结构的蛋白质家族,该家族基因的表达受磷饥饿胁迫调控，并且这种调控是依赖于PHR1,作为负调控因子参与磷信号网络,小分子的非编码RNA基因IPS1该非编码RNA基因是PHR1,低磷胁迫,PHR1,磷饥饿诱导基因,PHO2(UBC),PHO2转录,靶蛋白,pht1:8,pht1:9,miR399,?,SIZ1,IPS1,SPX,低磷
36、胁迫PHR1磷饥饿诱导基因PHO2(UBC)PHO2转录,三、植物对钾的吸收及调控,钾的生理功能,促进碳水化合物的代谢,有利于氨基酸的形成,调节气孔运动,促进光合作用,稳定蛋白质构象,三、植物对钾的吸收及调控钾的生理功能促进碳水化合物的代谢有利,（一）高亲和性K+转运系统（HATS）,K+ 1mmol/L，主要通过与H+同向共转运的方式，借助由跨膜H+浓度梯度形成的电化学势顺势将K+转运进入细胞。由HATS介导的K+内流的速度与植物细胞内K+浓度密切相关，细胞内K+浓度比较高时，K+内流速度较小，细胞内K+浓度较低时，K+内流速度较大。,（一）高亲和性K+转运系统（HATS）K+ 1mmol,
37、编码HATS转运子的植物基因,HAK/KUP/KT(K+/H+ symporters),有13个成员，具高度同源性。,AtKUP和OsHAK10转运子的亚细胞定位在液泡膜,表达广泛存在于植物的各个组织,AtKUP1在具有高亲和性转运子HAK/KUP/KT家族的结构特点的同时，也同时具有低亲和性转运蛋白Shaker通道的结构特点，包括具有一个IYGD的氨基酸顺序,主要在低K+或K+饥饿条件下发挥外界吸收K+的作用,说明HAK/KUP/KT家族除了参与植物直接从土壤中吸收K+外，也参与植物体内的K+动员和转运等过程,编码HATS转运子的植物基因HAK/KUP/KT(K+/H+,HKT/TRK（K+
38、/H+或K+/Na+ symporters）,CPA(cation/H+ antiporters),植物中的HTK转运子与真菌的TRK转运子和原核生物的KtrB/TrKHK+转运子的亚基相似。HKT在拟南芥中只有AtHKT1一个成员，在拟南芥中可能执行Na+转运子的功能。,在拟南芥中有KEA1、 KEA2、 KEA3、 KEA4、 KEA5、 KEA6六个成员。该反向转运子的表达无特异性，也没有实验证据证明其功能。,HKT/TRK（K+/H+或K+/Na+ symporter,（二）低亲和性K+运输子（LATS）,主要在体外环境K+浓度大于1mmol/L的情况下发挥作用,低亲和性K+运输系统/
39、K+通道是被动的利用跨质膜电化学势。,维持质膜电化学势的存在和植物吸收K+的动力，需要H+-ATPase通过水解ATP和消耗能量将H+从细胞内运输到细胞外,（二）低亲和性K+运输子（LATS）主要在体外环境K+浓度大,LATS介导的K+内流对胞外K+浓度的提高不敏感，而HATS系统却会被细胞外高浓度K+所抑制,LATS可显著被TEA+、La3+、Gd3+和Ab2+等离子通道抑制剂所抑制，而HATS对离子通道抑制剂不敏感,LATS系统对NH4+不敏感，而HATS则可以显著受NH4+的抑制,有效区分和鉴定LATS和HATS,LATS介导的K+内流对胞外K+浓度的提高不敏感，而HATS,膜片钳(pa
40、tch clamp，PC)技术的应用,极大地推动了对离子通道的研究。所谓膜片钳技术，是指使用微电极从一小片细胞膜上获取电子学信息的技术，即将跨膜电压保持恒定(电压钳位)，测量通过膜的离子电流大小的技术。,膜片钳(patch clamp，PC)技术的应用,极大地推动,膜片钳技术测定离子通道示意图,A.测定原理与装置：a.测定原理图，在玻璃微电极尖端截取的膜片上，如有开放的离子通道时，离子通过通道进入微电极，产生的电流经放大器放大后，由监视器显示或由记录仪记录；b.测定装置，示安装玻璃微电极的装置，有吸引接口和信号输出接口；B.通道开闭时的电流输出记录图，示仅通过一个离子通道时的膜电流情况，只有在
41、通道开时才能测到电流。,膜片钳技术测定离子通道示意图A.测定原理与装置：a.测定原理,拟南芥K+选择性离子通道，分成三类,Shaker,TPK,Kir-like,Shaker家族有9个成员组成，在蛋白结构等方面具有很多共同点,具有6个跨膜结构域,一个定位于第四跨膜结构域的电压感受器,一个位于第五和第六跨膜结构域的之间形成离子通道孔的结构域,一个可能结合环核苷酸的结构域,中心孔形成结构域包含一个保守的氨基酸序列，GYGD/E,拟南芥K+选择性离子通道，分成三类 ShakerTPKKir,内向整流的k+通道AKT1的结构,内向整流的k+通道AKT1的结构,感应电压的S4结构域对激活电压做出反应，转
42、出了膜,感应电压的S4结构域对激活电压做出反应，转出了膜,Shaker家族K+离子通道分为5组,AKT1,第一组,AKT5,AKT6,强内向型K+通道,AKT1主要在拟南芥根细胞表达，无论在体外K+浓度大于1mmol/L还是低于1mmol/L的低K+条件下，AKT1都可以从外界吸收K+。ATK1对 NH4+不敏感,Shaker家族K+离子通道分为5组AKT1第一组AKT5A,第二组,KAT1,KAT2,强内向型K+通道,外向K+通道SKOR和GORK组成,第三组,AKT2,第四组,AtKC1,第五组,弱内向性K+通道,对其他组的K+通道具有调控作用,AtKC1在根细胞中可以与AKT1结合形成异
43、源多聚体K+通道，该通道的激化电压阈值比AKT1同源多聚体K+通道更偏向负电压,第二组KAT1KAT2强内向型K+通道外向K+通道SKOR和,KAT1基因的表达水平比KAT2和 AKT1高约三倍，比AKT2和AtKC1高约10倍,拟南芥气孔保卫细胞有6种质膜K+通道,KAT1,KAT2,AKT1,AKT2,GORK,AtKC1,质膜内向K+通道,质膜外向K+通道,KAT1基因的表达水平比KAT2和 AKT1高约三倍，比AK,是定位于液泡膜或质膜上的K+通道，通常每个亚基具有4个跨膜结构域和可以形成两个孔。TPK1和TPK4分别定位于液泡膜和质膜,TPK,K+通道亚基仅具有两个跨膜结构域和一个孔
44、形成结构域，迄今对其研究较少。,Kir-like,是定位于液泡膜或质膜上的K+通道，通常每个亚基具有4个跨膜结,高级植物生理学专题二课件,（三）K+在体内的长途转运,是外向质膜K+通道，定位于薄壁组织细胞，参与K+从根到茎的转运过程。SKOR的活性受细胞外K+浓度的调控,SKOR,主要定位于韧皮部组织,AKT2和KAT2,单独形成同源多聚体K+通道,形成异源多聚体K+通道。,AKT2和KAT2形成的K+通道为弱内向性K+通道，其活性受磷酸化调控，参与K+在植物体内不同组织之间的转运,（三）K+在体内的长途转运是外向质膜K+通道，定位于薄壁组织,（四)K+吸收和转运系统的调控,细胞外K+浓度的改变,异源多聚体和同源多聚体K+通道的形成方式,H+-ATPase把H+运输到细胞外形成跨膜电化学势梯度,Ca2+信号、蛋白激酶、蛋白磷酸化和去磷酸化、14-3-3蛋白和活性自由基（ROS）,K+通道活性,（四)K+吸收和转运系统的调控细胞外K+浓度的改变异源多聚体,K+通道调控机制,蛋白激酶CIPK23,K+通道AKT1激活,CBL1,CBL9,低K+或K+饥饿条件下根组织从土壤中吸收K+的过程中发挥重要调控作用,K+通道调控机制蛋白激酶CIPK23K+通道AKT1激活CB,
