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【编辑推荐】为探究低钾胁迫下生长素对根系生长及钾吸收的作用，河南农业大学研究团队以烟草为材料开展水培实验。发现外源 IAA 可促进根系发育与钾吸收，NPA 则起抑制作用，揭示生长素缓解低钾胁迫的分子机制，为农业钾高效利用提供新方向。
在农业生产中，钾元素作为植物细胞中最丰富的阳离子之一，对植物的渗透调节、电荷平衡和酶激活等生理过程至关重要，被誉为植物的 “品质和抗逆元素”。然而，土壤中钾离子浓度常因植物吸收和环境因素降低至 < 0.3 mmol/L，导致作物面临低钾胁迫，根系生长受限、钾吸收能力下降，严重影响产量和品质。生长素作为调控植物生长发育的关键激素，虽已知其能促进根系生长和矿质营养吸收，但在低钾胁迫下，生长素如何调控烟草根系生长及钾吸收的分子机制尚不清楚。为此，河南农业大学的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《BMC Plant Biology》上，为揭示植物应对低钾胁迫的策略提供了重要见解。
研究人员以烟草品种 K326 为材料，通过水培实验，设置正常钾（5 mmol/L）和低钾（0.15 mmol/L）水平，并施加外源生长素吲哚乙酸（IAA）和生长素运输抑制剂 N-1 - 萘基邻苯二甲酸（NPA）处理，结合转录组测序、生理指标测定和钾离子流分析等技术，系统探究了生长素在低钾胁迫下对烟草根系生长和钾吸收的调控机制。
研究结果
生长素对低钾胁迫下根系生长的影响
形态学和生理学分析表明，低钾胁迫显著抑制烟草根系生长，导致根干重、总根长、根体积等指标下降，而外源 IAA 处理显著缓解了这些抑制效应，使根干重增加 10.12%-33.15%，根系活力提升 2.5 倍，ATP 酶活性提高 89.86%。相反，NPA 处理加剧了根系生长的抑制。内源性生长素检测显示，低钾条件下主根和侧根尖端的生长素浓度显著升高，外源 IAA 进一步增加主根尖端生长素含量，而 NPA 则使其降低 49%，但侧根尖端生长素浓度在两种处理下均升高，表明生长素的分布和浓度对根系响应低钾胁迫至关重要。
生长素对低钾胁迫下钾吸收的影响
非损伤微测技术（NMT）显示，低钾胁迫下根系表现出显著的钾离子内流，IAA 处理使其增加 63%-105%，而 NPA 处理则抑制钾吸收。动力学参数分析表明，IAA 处理提高了钾吸收的最大速率（Vmax）并降低了米氏常数（Km），表明根系对钾的亲和力增强。根系钾含量测定显示，IAA 处理使低钾条件下的钾含量增加 2.43 倍，而 NPA 处理无显著变化，证实生长素促进钾的吸收和积累。
转录组分析揭示关键基因和通路
转录组测序共鉴定出 8381 个差异表达基因（DEGs），主要富集在光合作用天线蛋白、光合作用、植物激素信号转导和 MAPK 信号通路等途径。与生长素信号相关的基因如 IAA14、ARF16、PIN1，钾离子通道和转运蛋白基因如 KUP6、SKOR、NPF7.3，以及转录因子 AP2/ERF 家族成员在低钾胁迫下呈现差异表达。其中，KUP6 在 IAA 处理下上调，NPA 处理下下调，表明其在生长素介导的低钾胁迫缓解中起关键作用，可能与内源性生长素水平相关。
研究结论与意义
该研究证实，低钾胁迫通过抑制根系发育和钾吸收影响烟草生长，而生长素通过调控根系形态、代谢活性和钾转运基因的表达，显著缓解低钾胁迫的不利影响。关键基因 KUP6、IAA14、ARF16、PIN1 和 AP2/ERF 等在生长素信号传导和钾吸收调控中发挥重要作用，揭示了生长素通过调节根系生长素分布和钾转运系统增强植物耐低钾能力的分子机制。这些发现为作物钾高效品种的遗传改良和通过外源激素调控提高低钾胁迫下的作物产量提供了理论依据和潜在靶点。未来研究可进一步在土壤环境中验证相关机制，并深入探究关键基因间的互作网络，为农业生产中钾资源的高效利用提供更全面的解决方案。
