南京土壤研究所揭示水稻钾营养运输新机制

钾是植物生长发育与高产形成的关键营养元素，其从根到叶的高效运输对作物生长至关重要。经典理论认为，植物根中柱细胞主要依赖外向钾通道SKOR，驱动钾离子进入木质部以完成长距离转运。近日，中国科学院南京土壤研究所沈仁芳研究员团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表最新研究成果，通过系统解析水稻短通道蛋白OsKAT1的功能与作用机制，首次揭示了禾本科作物特有的“双通道协同”钾运输模式，更新了人们对植物营养运输的传统认知。

研究发现，OsKAT1具有独特的分子结构特征——其蛋白质C末端天然截短，相较于典型钾通道更短。进化分析结果显示，这类“短型”钾通道在稻、麦、玉米等主要禾本科作物中保守存在，而在双子叶植物中未发现类似结构。这一特征提示，该通道是禾本科作物为适应高效营养吸收而保留的关键分子特征。

研究进一步证实，在水稻根中柱组织中，OsKAT1与传统外向钾通道SKOR共处于同一细胞，两者形成功能上的协同：OsKAT1持续吸收钾离子，使中柱细胞成为钾的“储库”，同时调节细胞膜电位，为SKOR的启动创造有利条件，进而将钾离子分泌到木质部导管。而SKOR的外排活动，又通过影响膜电位，反过来促进OsKAT1的再次吸收。二者通过膜电位的动态调节实现精密配合，使钾离子得以在低能耗状态下持续向地上部分运输，其效率远高于仅依赖单一通道的系统。

这一发现具有重要科学价值。它突破了仅由外向通道主导根—茎钾运输的传统模型，首次在禾本科作物中揭示了内向与外向通道精密协作的高效机制，为理解谷物高产潜力提供了新视角。

田间试验印证了该机制的应用潜力：OsKAT1缺失导致水稻减产约40%，而过表达则显著提升分蘖数、生物量与产量。其作用关键在于保障钾向光合组织的稳定供应，维持叶片高效光合作用。

综上所述，OsKAT1的发现揭示了禾本科作物特有的一套旨在实现营养效率最大化的生理适应机制。该研究将植物钾营养研究从“单一元件”视角推向“系统协作”的新层次，同时为未来通过遗传改良同步提升作物钾利用效率与产量潜力，提供了全新的分子靶点与理论基础。这项研究是衔接基础分子机制与重要农艺性状的典范，展现出深入解析物种特异性适应策略对农业科技发展的根本性推动作用。

该研究由中国科学院南京土壤研究所沈仁芳研究员团队联合法国国家科研中心等八家国内外研究团队合作完成。南京土壤研究所杨顺瑛副研究员为论文第一作者，沈仁芳研究员、苏彦华研究员和Anne-Aliénor Véry研究员为共同通讯作者。

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