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鉀是植物生長發育與高產的關鍵營養元素，其從根到葉的高效運輸對作物生長具有重要作用。經典理論認為，植物根的中柱細胞主要依賴外向鉀通道SKOR，驅動鉀離子進入木質部，以完成長距離轉運。近日，中國科學院南京土壤研究所等研究團隊，通過系統解析水稻短通道蛋白OsKAT1的功能與作用機制，揭示了禾本科作物特有的“雙通道協同”鉀運輸模式，更新了學界對植物營養運輸的認知。

研究發現，OsKAT1具有獨特的分子結構特征——其蛋白質C末端天然截短，相較于典型鉀通道更短。進化分析結果顯示，這類“短型”鉀通道在稻、麥、玉米等主要禾本科作物中保守存在，在雙子葉植物中則未發現類似結構。這一特征提示，該通道是禾本科作物為適應高效營養吸收而保留的關鍵分子特征。

同時，研究證實，在水稻根的中柱組織中，OsKAT1與傳統外向鉀通道SKOR共處于同一細胞，兩者形成功能上的協同，即OsKAT1持續吸收鉀離子，使中柱細胞成為鉀的“儲庫”，并通過調節細胞膜電位，為SKOR啟動創造有利條件，進而將鉀離子分泌到木質部導管；而SKOR的外排活動通過影響膜電位，反過來促進OsKAT1再次吸收。二者通過動態調節膜電位，實現精密配合，使鉀離子在低能耗狀態下持續向地上部分運輸，其效率高于僅依賴單一通道的系統。這一發現突破了僅由外向通道主導根—莖鉀運輸的傳統模型，揭示了禾本科作物內向與外向通道精密協作的高效機制。

田間試驗進一步印證了該機制的應用潛力，即OsKAT1缺失導致水稻減產約40%，而過表達明顯提升了分蘗數、生物量與產量，其作用關鍵在于保障鉀向光合組織的穩定供應，維持葉片高效光合作用。

該研究揭示了禾本科作物特有的實現營養效率最大化的生理適應機制，將植物鉀營養研究從“單一元件”視角推向“系統協作”的新層次，為未來通過遺傳改良同步提升作物鉀的利用效率與產量潛力，提供了新的分子靶點與理論基礎。

近日，相關研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

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