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钾是植物生长必不可少的大量营养元素，在植物的生长发育中发挥着重要的作用。植物对土壤钾素的吸收、利用过程包括根系表皮吸收、根内和根—茎钾的运输、钾在地上各组织部位的分配及行使调控功能（如气孔运动）等关键步骤。这些过程分别由定位于细胞质膜上的一系列钾转运体和钾离子通道来承担。其中SKOR（Stelar K+ Outward Rectifier）类钾离子通道所主导的根—茎传输过程是联系钾素吸收和利用过程的纽带，而目对这一过程的普遍意义及其调控机制还有待进一步深化，这是本文的研究重点。本文借助skor突变体材料，进一步澄清AtSKOR所介导的根—茎钾传输过程在拟南芥钾素营养中的意义，以期理解这一过程的作用特征。在实验室前期发现富钾植物空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)的地上部超强富钾能力与其ApSKOR钾通道的功能存在密切关联的基础上，研究了ApSKOR的功能及其调控机制;并在拟南芥skor突变体的背景下，验证了超表达ApSKOR对地上部钾积累的实际贡献，为在作物中强化这一过程提供了调控条件和潜在的优秀基因资源;最后通过对水稻中的根—茎钾传输过程的研究及其与OsSKOR基因之间的关系，明确该过程对提高水稻的钾素利用效率的重要性和进行强化调控的必要性。
论文所获得主要研究结果如下:
1)通过对skor突变体的研究，发现拟南芥SKOR主导的根茎传输过程在中、低钾供应下(＜1 mM)作用更为明显。该基因功能的缺失在处理10天内即可导致地上部含钾量降低约25％，同时生物量降低20％以上。而在充足供钾(10 mM)时skor突变体的地上部含钾量和生物量与WT并无显著差异。在供试的供钾条件下（0.01-10 mM）拟南芥的根系含钾量均无显著差异，表明AtSKOR主要介导了由根—茎的钾离子传输过程。
2)通过定量PCR实验发现拟南芥在低供钾(0.01 mM)下skor突变体中的根系钾吸收基因AKT1、KUP4、KUP6、KUP7和KUP8，以及地上部负责钾分配的基因AKT2和KUP9的表达量略有上调。这些基因表达量的上调可能在一定程度上部分补偿了SKOR功能的缺失对拟南芥钾素吸收和分配过程的影响。
3)富钾植物空心莲子草ApSKOR与拟南芥AtSKOR和水稻OsSKOR的氨基酸序列总体同源性高达65％。在6个跨膜区中的第一(S1)、第五(S5)、第六(S6)跨膜区域和介于S5-S6之间的通道孔区域，三个SKOR通道氨基酸的保守性更高，预示其具有类似的功能。而在电压敏感区S4和潜在的质子调控区（S1-S2接头区和S2跨膜区）差异较大，暗示其对膜电位和pH的敏感性可能有所差异。
4)进一步通过蛙卵电生理实验初步研究了空心莲子草ApSKOR的功能。发现该通道可介导细胞内钾离子的外排，产生外向电流。当细胞外钾浓度为100 mMK+时，已报道的拟南芥AtSKOR的外排电流仅为正常生理K+浓度(10mM)时的15％，表明该通道所主导的钾外排能力受到细胞外钾离子积累程度的强烈抑制而仅在浓度较低时才可高效发挥作用。这一结果与上述1）中的生理测定结果相吻合。而空心莲子草ApSKOR的钾外排电流在100mM K+下可达正常K+(10 mM)时的约50％，暗示其可在质外体（细胞外）积聚高浓度K+时仍可有效介导K+向地上部的传输。这一结果在一定程度上解释了前期所发现的空心莲子草茎部超强富钾的现象。与拟南芥AtSKOR类似，ApSKOR的外向电流也受到类似程度的细胞外酸化过程的抑制，当pH由7.4降低为6.4时，钾外排电流降低50％。此外，ApSKOR的功能在高钙下(10mM)受到微弱促进。
5)分别在野生型和skor突变体拟南芥中超表达ApSKOR，发现在野生型背景下超表达ApSKOR在高钾(10 mM)下可显著提高拟南芥地上部的含钾量，而在中钾(1mM)和低钾(0.01 mM)作用不明显。超表达株系的地上部和根系的生物量在中钾下显著高于WT;而在高钾下超表达株系的根系受到强烈抑制，根系生物量降低幅度可达40％,表明拟南芥并非喜钾植物，钾素过高会抑制其生长。在skor突变体背景下超表达ApSKOR丰度较高的株系（skor/Ap-SKOR-2）地上部含钾量在中钾和高钾下显著升高了90％和20％，而在低钾下无显著效果。这些结果，一方面与拟南芥本身对钾的需求/喜好程度有关，另一方面也验证了ApSKOR可能对于奢侈富钾过程更为有效。
6)水稻中可能参与高通量钾传输的三个钾通道基因:OsKAT1;1主要在根部表达，其表达水平在正常供钾(1mM)条件下最高，高钾或低钾均抑制其表达;OsSKOR主要在较远离根尖的根系成熟区表达，并受低钾条件的诱导，推测该系统可能主要承担低钾环境中钾的输导作用。OsAKT2/3主要在地上部表达，表达水平受高钾的诱导，暗示其可能参与了地上部高浓度钾的分配过程。
7)通过伤流实验对水稻的根—茎钾传输过程进行了初步研究。发现随低钾处理时间的延长（4天相较于7天），水稻伤流液中的钾含量下降约1倍，而ABA的含量增加了3倍多，伤流液中的钾含量与ABA含量呈负相关趋势。同时OsSKOR的表达丰度随低钾处理时间的延长而同步降低。另外，对OsSKOR基因的基因组序列进行分析，发现其启动子序列中含有ABA的响应元件。进一步ABA处理结果表明，OsSKOR的表达丰度随ABA处理时间的延长而显著降低。因此，根据水稻伤流液含钾量和OsSKOR基因表达的分析结果，初步推测其介导的根—茎钾传输过程在低钾下较为有效，且受ABA积累的抑制。这是不利于水稻地上部获得充足钾素营养的作用特征。
综上所述，本文明确了SKOR所介导的根—茎钾传输过程在需钾/富钾特性不同的植物中所起的作用也是不同的:不喜钾的植物如拟南芥，SKOR主要在低钾下发挥功能;而在富钾植物空心莲子草中，SKOR的功能则主要体现在奢侈富钾方面;意外的是，在水稻中，SKOR的功能也是相对较低效的，这与高氮生产模式下水稻气孔开放对地上部较高浓度的钾的需求不相符合，因此仍有进一步提升的空间。例如，将空心莲子草ApSKOR导入水稻中，替换其自身的低效根—茎钾传输系统。
论文所获得主要研究结果如下:
1)通过对skor突变体的研究，发现拟南芥SKOR主导的根茎传输过程在中、低钾供应下(＜1 mM)作用更为明显。该基因功能的缺失在处理10天内即可导致地上部含钾量降低约25％，同时生物量降低20％以上。而在充足供钾(10 mM)时skor突变体的地上部含钾量和生物量与WT并无显著差异。在供试的供钾条件下（0.01-10 mM）拟南芥的根系含钾量均无显著差异，表明AtSKOR主要介导了由根—茎的钾离子传输过程。
2)通过定量PCR实验发现拟南芥在低供钾(0.01 mM)下skor突变体中的根系钾吸收基因AKT1、KUP4、KUP6、KUP7和KUP8，以及地上部负责钾分配的基因AKT2和KUP9的表达量略有上调。这些基因表达量的上调可能在一定程度上部分补偿了SKOR功能的缺失对拟南芥钾素吸收和分配过程的影响。
3)富钾植物空心莲子草ApSKOR与拟南芥AtSKOR和水稻OsSKOR的氨基酸序列总体同源性高达65％。在6个跨膜区中的第一(S1)、第五(S5)、第六(S6)跨膜区域和介于S5-S6之间的通道孔区域，三个SKOR通道氨基酸的保守性更高，预示其具有类似的功能。而在电压敏感区S4和潜在的质子调控区（S1-S2接头区和S2跨膜区）差异较大，暗示其对膜电位和pH的敏感性可能有所差异。
4)进一步通过蛙卵电生理实验初步研究了空心莲子草ApSKOR的功能。发现该通道可介导细胞内钾离子的外排，产生外向电流。当细胞外钾浓度为100 mMK+时，已报道的拟南芥AtSKOR的外排电流仅为正常生理K+浓度(10mM)时的15％，表明该通道所主导的钾外排能力受到细胞外钾离子积累程度的强烈抑制而仅在浓度较低时才可高效发挥作用。这一结果与上述1）中的生理测定结果相吻合。而空心莲子草ApSKOR的钾外排电流在100mM K+下可达正常K+(10 mM)时的约50％，暗示其可在质外体（细胞外）积聚高浓度K+时仍可有效介导K+向地上部的传输。这一结果在一定程度上解释了前期所发现的空心莲子草茎部超强富钾的现象。与拟南芥AtSKOR类似，ApSKOR的外向电流也受到类似程度的细胞外酸化过程的抑制，当pH由7.4降低为6.4时，钾外排电流降低50％。此外，ApSKOR的功能在高钙下(10mM)受到微弱促进。
5)分别在野生型和skor突变体拟南芥中超表达ApSKOR，发现在野生型背景下超表达ApSKOR在高钾(10 mM)下可显著提高拟南芥地上部的含钾量，而在中钾(1mM)和低钾(0.01 mM)作用不明显。超表达株系的地上部和根系的生物量在中钾下显著高于WT;而在高钾下超表达株系的根系受到强烈抑制，根系生物量降低幅度可达40％,表明拟南芥并非喜钾植物，钾素过高会抑制其生长。在skor突变体背景下超表达ApSKOR丰度较高的株系（skor/Ap-SKOR-2）地上部含钾量在中钾和高钾下显著升高了90％和20％，而在低钾下无显著效果。这些结果，一方面与拟南芥本身对钾的需求/喜好程度有关，另一方面也验证了ApSKOR可能对于奢侈富钾过程更为有效。
6)水稻中可能参与高通量钾传输的三个钾通道基因:OsKAT1;1主要在根部表达，其表达水平在正常供钾(1mM)条件下最高，高钾或低钾均抑制其表达;OsSKOR主要在较远离根尖的根系成熟区表达，并受低钾条件的诱导，推测该系统可能主要承担低钾环境中钾的输导作用。OsAKT2/3主要在地上部表达，表达水平受高钾的诱导，暗示其可能参与了地上部高浓度钾的分配过程。
7)通过伤流实验对水稻的根—茎钾传输过程进行了初步研究。发现随低钾处理时间的延长（4天相较于7天），水稻伤流液中的钾含量下降约1倍，而ABA的含量增加了3倍多，伤流液中的钾含量与ABA含量呈负相关趋势。同时OsSKOR的表达丰度随低钾处理时间的延长而同步降低。另外，对OsSKOR基因的基因组序列进行分析，发现其启动子序列中含有ABA的响应元件。进一步ABA处理结果表明，OsSKOR的表达丰度随ABA处理时间的延长而显著降低。因此，根据水稻伤流液含钾量和OsSKOR基因表达的分析结果，初步推测其介导的根—茎钾传输过程在低钾下较为有效，且受ABA积累的抑制。这是不利于水稻地上部获得充足钾素营养的作用特征。
综上所述，本文明确了SKOR所介导的根—茎钾传输过程在需钾/富钾特性不同的植物中所起的作用也是不同的:不喜钾的植物如拟南芥，SKOR主要在低钾下发挥功能;而在富钾植物空心莲子草中，SKOR的功能则主要体现在奢侈富钾方面;意外的是，在水稻中，SKOR的功能也是相对较低效的，这与高氮生产模式下水稻气孔开放对地上部较高浓度的钾的需求不相符合，因此仍有进一步提升的空间。例如，将空心莲子草ApSKOR导入水稻中，替换其自身的低效根—茎钾传输系统。