《Plant Stress》：Halophyte
Halogeton glomeratus HKT1;2 confers salt tolerance in transgenic
Arabidopsis by modulating ion homeostasis
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本研究针对土壤盐渍化威胁农业可持续发展的重大问题，聚焦盐生植物盐生碱蓬（Halogeton glomeratus）中高亲和性钾转运蛋白基因HgHKT1;2的功能解析。研究人员通过生物信息学筛选、酵母异源表达系统和转基因拟南芥验证，发现HgHKT1;2定位于内质网，通过介导Na?外排和减少K?流失显著提高植物的盐胁迫耐受性。该研究不仅揭示了HgHKT1;2通过协调离子稳态（K?/Na?比）和激活抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）及渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖）积累的双重耐盐机制，更为作物耐盐遗传改良提供了优质基因资源和理论依据。
随着全球气候变化和灌溉农业的持续发展，土壤盐渍化已成为威胁粮食安全的严峻环境挑战。目前全球约20%的可耕地受到盐害影响，导致作物减产甚至绝收。传统物理化学修复方法成本高昂且易造成二次污染，而利用耐盐植物进行生态修复则展现出巨大潜力。在盐生植物中，盐生碱蓬（Halogeton glomeratus）作为一种典型的泌盐型盐生植物，在中国西北干旱半干旱地区的盐碱地上表现出卓越的适应性，是研究植物耐盐机制的理想材料。然而，其耐盐的分子机制，特别是关键离子转运蛋白的调控网络仍不清楚。
高亲和性钾转运蛋白（HKT）基因家族在植物响应盐胁迫中扮演着核心角色，通过调节钠钾离子平衡帮助植物应对离子毒害。该家族根据离子选择性分为两个亚家族：亚家族I主要为Na?选择性转运蛋白，亚家族II通常为Na?/K?同向转运蛋白。尽管HKT基因在多种作物中已有研究，但在盐生碱蓬中的功能特性尚未系统解析。
为解决这一问题，研究人员在《Plant Stress》上发表了题为"Halophyte Halogeton glomeratus HKT1;2 confers salt tolerance in transgenic Arabidopsis by modulating ion homeostasis"的研究论文。该研究通过整合多学科技术手段，系统鉴定了盐生碱蓬HKT1基因家族成员，并深入解析了HgHKT1;2在植物耐盐性中的关键作用及分子机制。
研究采用的关键技术方法包括：基于全长转录组的生物信息学分析、qRT-PCR表达谱分析、拟南芥原生质体亚细胞定位、Na?/K?敏感酵母突变体（AXT3和CY162）的异源功能互补、转基因拟南芥的创制与表型分析、非损伤微测技术（NMT）实时监测Na?/K?流速、以及抗氧化酶活性和渗透调节物质含量测定。实验材料包括采集自甘肃张掖盐碱地的盐生碱蓬种子和哥伦比亚野生型拟南芥。
3.1. HgHKT1基因家族的生物信息学分析和功能验证
研究人员首先鉴定了盐生碱蓬中的三个HgHKT1基因家族成员。生物信息学分析显示，HgHKT1;2编码的蛋白长度最短（529个氨基酸），分子量最小（60.85 kDa），具有碱性等电点（pI=8.99-9.32）和高稳定性。系统进化分析将三个HgHKT1成员都归类于亚家族I，其中HgHKT1;2与McHKT亲缘关系最近。qRT-PCR分析表明，三个HgHKT1基因在盐胁迫下均显著上调表达，且在根中的表达量高于叶，其中HgHKT1;2在所有时间点均保持最高表达水平。亚细胞定位实验证实HgHKT1;2蛋白特异定位于内质网，这与大多数HKT家族成员的质膜定位不同，可能代表了盐生植物特有的适应性策略。
3.2. 利用酵母异源表达系统验证HgHKT1;2的离子转运特性
在Na?敏感酵母菌株AXT3中，HgHKT1;2转化菌株在1 mM K?条件下能耐受70 mM Na?胁迫，在10 mM K?条件下甚至能在150 mM Na?环境中生长，表明其具有显著的Na?外排能力。离子含量分析显示，HgHKT1;2能有效降低细胞内Na?积累。在K?吸收缺陷菌株CY162中，HgHKT1;2未能恢复其在低K?条件下的生长缺陷，证实了其对Na?的选择性转运特性。这些结果共同表明HgHKT1;2主要作为Na?选择性转运蛋白发挥作用，属于I类HKT蛋白。
3.3. 盐胁迫对拟南芥种子萌发的影响
转基因拟南芥在盐胁迫下表现出更强的耐受性。在50 mM NaCl处理下，转基因种子24小时萌发率达到8.5%，显著高于野生型（1.3%）。在200 mM NaCl条件下，转基因株系的7天萌发率比野生型高33.0%。根长测量显示，转基因植株在盐胁迫下保持更好的根系发育，在200 mM NaCl处理时，根长抑制程度（80.21%）显著低于野生型（88.51%）。
3.4. 盐胁迫对拟南芥幼苗Na?和K?转运的影响
非损伤微测技术（NMT）分析显示，在150 mM NaCl胁迫下，转基因植株根部的Na?外排速率比野生型高59.1%，K?内流速率低52.3%。在叶片组织中，转基因植株的Na?外排速率比野生型高65.6%，K?内流速率低42.0%。这表明HgHKT1;2通过在根和叶中协同增强Na?外排和减少K?流失，有效维持了细胞内的K?/Na?平衡。
3.5. 不同盐胁迫处理对拟南芥幼苗生长的影响
表型观察发现，随着NaCl浓度增加（0-300 mM），转基因植株始终表现出更好的生长状态。在150 mM NaCl胁迫下，转基因植株的丙二醛（MDA）含量显著低于野生型，而脯氨酸（PRO）、可溶性糖（SS）含量以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性均显著高于野生型。离子含量分析表明，转基因植株能更好地维持组织中的K?/Na?比值，特别是在300 mM NaCl胁迫下，转基因植株的K?/Na?比值仍大于1，而野生型则低于1。
3.6. 盐胁迫对成熟拟南芥植株生长的影响
对40天龄的成熟植株进行盐胁迫处理，转基因植株在形态损伤、生物量减少等方面均轻于野生型。生理指标检测显示，转基因植株在长期盐胁迫下能维持更高的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，同时更好地保持叶绿素含量，减轻了盐胁迫对光合机构的损害。
本研究系统阐明了HgHKT1;2通过双重机制增强植物耐盐性：一方面通过调节离子稳态，增强Na?外排能力并减少K?流失，维持较高的K?/Na?比值；另一方面通过激活抗氧化防御系统和渗透调节途径，减轻氧化损伤和渗透胁迫。值得注意的是，低浓度NaCl（50 mM）反而促进了转基因植株的根系生长，这可能反映了盐生植物对中等盐度的适应性特征。
与已报道的HKT家族成员相比，HgHKT1;2展现出独特的表达模式和亚细胞定位特征。其在根中的优势表达和持续诱导模式，以及内质网定位特性，为理解HKT蛋白的功能多样性提供了新视角。研究结果不仅深化了对盐生植物耐盐机制的认识，也为利用Halophyte基因资源进行作物耐盐遗传改良提供了重要理论依据和基因资源。
