水稻K+外排反向转运蛋白OsKEA1通过维持离子稳态和叶绿体完整性调控盐胁迫耐受性的机制研究

本研究针对土壤盐渍化威胁水稻生产的重大问题，揭示了K+外排反向转运蛋白OsKEA1在盐胁迫响应中的核心作用。研究人员通过CRISPR-Cas9基因编辑和生理学实验证实，OsKEA1通过调节Na+/K+平衡、ROS清除系统及叶绿体功能，显著增强水稻耐盐性。该发现为作物抗逆育种提供了新靶点，对保障粮食安全具有重要意义。

　　

全球约三分之一的灌溉农田受盐渍化威胁，高浓度Na⁺和Cl^-不仅破坏植物离子平衡，还会引发氧化应激和光合作用抑制。水稻作为主要粮食作物，其盐敏感特性导致产量锐减。尽管已知NHX家族蛋白参与盐胁迫响应，但K⁺外排反向转运蛋白(KEA)在单子叶植物中的功能仍属空白。浙江师范大学与中国水稻研究所的科研团队在《Rice》发表研究，首次阐明OsKEA1通过多维度调控网络赋予水稻耐盐性的分子机制。

研究采用CRISPR-Cas9构建OsKEA1敲除突变体（cas9-3/cas9-8），结合EMS诱变获得的oskea1等位突变体。通过离子含量测定、组织化学染色、透射电镜观察等技术，系统评估了盐胁迫下的表型、生理指标及亚细胞结构变化。

盐胁迫敏感性分析
180 mM NaCl处理6天后，突变体出现叶片萎蔫、生物量下降40%以上（图1B-D），存活率仅为野生型(WT)的30%（图1E），证实OsKEA1缺失导致盐敏感性显著增强。

离子稳态调控机制
盐胁迫诱导OsKEA1表达上调2.5倍（图2A）。突变体中Na⁺含量增加1.8倍，K⁺降低35%，Na⁺/K⁺比达WT的2.3倍（图2B-D）。qPCR显示盐响应正调控因子NHX2、SOS2表达量下降50%，而负调控因子SIT1上调3倍（图S4），表明OsKEA1通过协调离子转运网络维持稳态。

ROS代谢失衡
DAB/NBT染色显示突变体H₂O₂和O₂^-积累量增加2倍（图3A-B），H₂DCFDA荧光强度升高80%（图3C-D）。酶活检测发现CAT、SOD活性降低40%，但POD异常升高（图4D-F），揭示OsKEA1缺失导致抗氧化系统紊乱。

叶绿体结构与功能损伤
盐胁迫下突变体叶绿素含量减少45%（图5B），电镜观察到类囊体片层松散、嗜锇颗粒增多（图5D）。Western blot显示光合蛋白Lhca1-3降解达60%（图6G），伴随光合基因表达量下降70%（图6A-F），证实OsKEA1对光合器官的保护作用。

DNA损伤加剧
TUNEL检测显示突变体细胞凋亡信号增强3倍（图7A），DNA修复基因ATR表达量降低65%（图7B），说明OsKEA1缺失放大盐胁迫的遗传毒性。

研究结论表明，定位于叶绿体的OsKEA1（图S3）通过三重机制增强耐盐性：（1）维持Na⁺/K⁺动态平衡；（2）激活抗氧化酶系统清除ROS；（3）保护光合器官完整性。该研究不仅填补了KEA家族在单子叶植物中的功能空白，提出的"离子-氧化-光合"协同调控模型为设计多维度抗盐作物提供了新思路。与拟南芥KEA1/2/3相比，OsKEA1展现出保守的叶绿体定位特性，但调控网络存在物种特异性，这对理解单双子叶植物进化分化的生理适应策略具有启示意义。