河南大学龙雨课题组揭示转录因子MYB77通过促进HAK5的表达来调节高亲和力钾离子的吸收

2021年6月30日，河南大学生命科学学院龙雨教授课题组在著名学术期刊New Phytologist发表题为“MYB77 regulates high-affinity potassium uptake by promoting expression of HAK5.”的研究论文。本研究揭示了转录因子MYB77通过促进编码钾离子转运蛋白的HAK5的表达，来调节高亲和力钾离子的吸收。

研究背景

K+在植物细胞中发挥重要作用，包括调节气孔运动、触发酶激活、渗透调节和调节质膜电位和电荷平衡等。在拟南芥中，已经鉴定出了负责高亲和力和低亲和力K+摄取的转运蛋白和通道蛋白。当外部K+低于100μM 时，高亲和力 K+转运蛋白HAK5是根吸收K+的主要参与者。在K+缺乏情况下，植物通过强烈而快速地增加HAK5的表达来应对低K+ (LK)胁迫。因此探寻HAK5的正调节因子，对增加植物对LK的耐受性至关重要。

研究结果

1.MYB77影响高亲和K+的摄取

先前研究报道，拟南芥myb77突变体在K+缺乏的情况下表现出较低的侧根密度。为了探究MYB77的功能，研究者分离得到了myb77突变体。在LK培养基生长7天后，突变体hak5、myb77的叶片呈现黄色，是K+缺乏引起的叶萎黄病表型。

研究者进一步测量了在LK培养基(10或20 µM K+)上生长的14d幼苗的K+含量。结果显示在hak5和myb77突变体中，K+含量显著降低；而在MYB77过表达植株中，K+含量显著增加。当植物在充足K+的培养基上生长时，所有植株的K+含量是相似的。说明，myb77突变体与hak5突变体具有相似的表型。并且，MYB77通过调节拟南芥的高亲和力K+吸收，在LK应激期间调节整个植物水平的K+含量。

使用K+的类似物Rb+进行摄取实验，显示突变体hak5和myb77 Rb+摄取减少，而MYB77过表达植物从培养基中的Rb+吸收能力最大，证实MYB77转录本水平决定了拟南芥幼苗的高亲和力K+摄取能力。

图 在LK培养基上生长的myb77突变体、MYB77过表达植株和hak5突变体的表型

2.MYB77的亚细胞定位及表达模式

通过GFP信号与DNA染料DAPI的共同定位证实了MYB77的核定位。使用GUS报告基因进行检测，显示该基因在芽中表达较弱，根中表达较强。在根组织中，研究者检测到GUS在根中柱、皮层、表皮和根毛中的活性。

3.MYB77正向调节HAK5的表达

由于MYB77是一种转录因子，它具有调节基因转录的功能。为了对此进行证实，研究者检测了WT,myb77和 MYB77过表达植株在HK培养基向LK转变过程中相关基因的表达水平。研究者发现只有HAK5转录水平与MYB77表达水平的变化一致。表达量检测显示，MYB77正调节HAK5的表达。进一步，在成熟植株中，研究者通过使用半定量、GUS酶活等实验，证实了LK诱导MYB77的表达，并且MYB77也正调控HAK5的表达水平。

先前研究报道，在含NH4+的培养基中，在100µM K+时，K+离子运输蛋白AKT1的突变体也表现出叶片褪绿的表型。将突变体植物从正常MS培养基转到100µM K+培养基上生长后，只有akt1突变体叶色呈现黄色，说明MYB77影响拟南芥中HAK5的表达，但不影响AKT1通路基因的表达。

图 突变体植株在MS培养基上生长4d，然后转移到LK培养基表型分析

4.MYB77直接结合HAK5的启动子区域

结合启动子序列分析，体外烟草瞬时表达实验，电泳迁移率位移试验(EMSA），及体内染色质免疫沉淀分析，显示MYB77直接结合HAK5启动子的P1和P3区，调控其表达。进一步通过突变体和过表达植株的杂交实验显示，HAK5位于MYB77的上游。

图 MYB77直接结合到HAK5启动子区域

结果和意义

本研究表明转录因子MYB77 的突变体具有 LK 诱导的叶萎黄、较低的K+含量和较低的Rb +吸收水平的表型。另外，该研究证实了MYB77正调节HAK5的表达。本研究结果揭示了一种在LK胁迫下增强HAK5表达的新途径，并为增加植物对LK的耐受性提供了一种候选方法。