植物水通道蛋白調(diào)控及其基因功能研究進展

鄧曉旭，陳黃曌，王 琦

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院生物工程學(xué)院，鄭州 450046；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001）

植物水通道蛋白調(diào)控及其基因功能研究進展

鄧曉旭1，陳黃曌1，王 琦2

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院生物工程學(xué)院，鄭州 450046；2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001）

水通道蛋白在維持植物中水和離子平衡、細胞完整性、生長和生存等方面起著至關(guān)重要的作用。文章綜述了水通道蛋白的結(jié)構(gòu)與亞細胞定位，蛋白功能與調(diào)控，基因表達與分析，并初步對水通道蛋白后續(xù)的研究進行了展望，以供參考。

植物 水通道蛋白 亞細胞定位 調(diào)控 基因表達

植物的生長和發(fā)育依賴于細胞膜和組織對水吸收和運輸?shù)膰栏窨刂?。自?0多年前在植物中發(fā)現(xiàn)了第一個水通道蛋白以來，許多發(fā)現(xiàn)均認為它是水通過細胞膜的重要途徑。目前水通道蛋白基因在煙草、擬南芥、玉米、水稻等多種植物被發(fā)現(xiàn)并克隆，且已被證實是一個超基因家族。擬南芥中存在35個水通道蛋白同源物，玉米中存在35個水通道蛋白基因，而水稻中也存在33個。植物中的水通道蛋白基因不僅具有多樣性，而且擁有極高的豐度。

1 水通道蛋白結(jié)構(gòu)和亞細胞定位

水通道蛋白由6個跨膜α-螺旋形成5個環(huán)狀結(jié)構(gòu)（A-E環(huán)），它的A、C、E環(huán)朝向液泡或者細胞質(zhì)，它的N端、C端以及B、D環(huán)朝向細胞質(zhì)。B、D環(huán)各有一段高度保守的NPA序列形成一個窄孔，為水分子跨膜運輸提供通道。

水通道蛋白屬于古老的通道蛋白MIP家族（Major Intrinsic Proteins），基于序列的相似性和亞細胞定位，被分為 PIPs（Plasma membrane Intrinsic Proteins）、TIPs（Tonoplast Intrinsic Proteins）、NIPs（Nodulin-26-like Intrinsic Proteins）、SIPs（Small Intrinsic Proteins）。 采用GFP融合蛋白表達和免疫化學(xué)技術(shù)對MIP家族進行亞細胞定位。PIPs定位于原生質(zhì)膜上，且孔道狹窄，高度保守，是典型的高選擇性水分子通道[1]。PIPs分為PIP1、PIP2和PIP3 3個亞類，PIP1具有較長的N端和C端。TIPs定位于液泡膜或囊膜上，有α、β、γ、δ和ε 5個亞類，水運輸力是PIPs的近100倍。NIPs定位于細菌和植物的共生體膜上，具有多種孔道構(gòu)象。SIPs定位于質(zhì)膜內(nèi)陷形成的質(zhì)體膜上，分為SIP1和SIP22個亞類，是植物水通道蛋白最小的家族，且具有非常罕見的孔道構(gòu)象。

2 水通道蛋白功能與調(diào)控

已有研究發(fā)現(xiàn)，植物水通道蛋白的作用遠遠超出了水分子跨膜運輸，還能運輸其它的小分子或具有重要生理功能的氣體。由于水通道蛋白與植物中水分子跨膜運輸以及植株生長發(fā)育中的作用聯(lián)系緊密，所以水通道蛋白的精密調(diào)節(jié)對植物滲透系數(shù)的改變至關(guān)重要。

水通道蛋白基因的表達可以隨著不同的環(huán)境條件、細胞、組織類型和植物發(fā)育階段而發(fā)生變化[2]。除了這些基因表達的最初調(diào)控步驟外，翻譯和定向的水通道蛋白活性還可以被進一步調(diào)控，如甲基化、糖基化、磷酸化，也可以通過pH、二價離子和膜張力的改變來調(diào)節(jié)。據(jù)報道，諸如缺氧脅迫、鹽脅迫和水脅迫等各種壓力條件也會影響植物體內(nèi)水通道蛋白的活性。

最早被發(fā)現(xiàn)的是磷酸化對水通道蛋白的影響，糖基化也是水通道蛋白定向轉(zhuǎn)運和靶向膜插入的關(guān)鍵。加壓素（antidiuretic hormone，ADH）可以使細胞內(nèi)的cAMP水平升高，激活蛋白酶K，從而使水通道蛋白磷酸化，促進囊泡和質(zhì)膜的融合，最終增加細胞膜的通透性。松葉菊的McTIP1；2基因在受到低滲脅迫后重新定位，該變化與通道蛋白的糖基化有關(guān)?，F(xiàn)有報道，在哺乳動物中AQP0，AQP3，AQP6和植物的PIPs基因受到Ca2+離子濃度的調(diào)節(jié)。擬南芥懸浮細胞與根的通透性受Ca2+和低pH的影響。在非洲爪蟾卵母細胞中，擬南芥 AtPIP2；1，AtPIP2；2，At PIP2；3 和At PIP1；2在pH從7變化為6時水通道關(guān)閉。有文獻報道，植物根系水通道蛋白也受到鹽脅迫的誘導(dǎo)，此外，還受到多種激素包括ABA，GA及環(huán)境因素藍光，水分脅迫等的誘導(dǎo)。

NOD26是植物中被發(fā)現(xiàn)的首個MIP家族成員，由271個氨基酸殘基構(gòu)成，參與植物細胞和細菌之間的小分子物質(zhì)運輸。Roberts等發(fā)現(xiàn)爪蟾卵母細胞中表達的NOD26具有對汞敏感的水通道活性，對甲酰胺，甘油等不帶電的溶質(zhì)分子具有較高的通透性，且受汞的抑制作用。

水通道蛋白在調(diào)節(jié)植物體內(nèi)水分流動的同時也在胞質(zhì)與液泡，胞質(zhì)與質(zhì)外體間的滲透中參與重要功能。TIPs編碼的水通道蛋白介導(dǎo)液泡與細胞質(zhì)之間的水分交換。通過對擬南芥的TIP1進行基因功能分析發(fā)現(xiàn)，TIP1；1基因定位于細胞中多液泡的連接處，與液泡間的融合過程密切相關(guān)，敲除該基因后對擬南芥的生長基本無影響，但提高了植株對環(huán)境中滲透脅迫的耐受程度。

3 水通道蛋白基因表達和分析

眾多學(xué)者對水通道蛋白在逆境下的作用進行了大量的研究。BnPIP1在煙草中的超表達使植株水分的傳導(dǎo)能力提高，且抗旱性增強；NtPIP1基因能夠提高煙草在鹽脅迫下的水分利用率和生物產(chǎn)量；TdPIP1在煙草中的過表達加快煙草根系的生長并增大葉片面積，因此提高了煙草的抗逆能力；OsPIP2；6的過表達能夠提高水稻抗亞砷酸鹽的能力；在擬南芥中表達黑籽南瓜的CfPIP2；1基因后，可以提高植株在干旱環(huán)境下的成活率，在黑籽西瓜中表達黃瓜CsPIP1；1基因或CsPIP2；1后可以提高種子在高鹽脅迫下的發(fā)芽率。有研究發(fā)現(xiàn)PIPs的mRNA及蛋白表達水平基本不受水脅迫的影響。

有報道稱，水通道蛋白促進CO2在細胞膜中的運動。在煙草中對水通道蛋白基因AtAQP1進行過表達分析，反義表達植株中CO2在細胞膜中的通透性降低。在水稻中，對HvPIP2；1基因進行過表達，試驗發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)的CO2的傳導(dǎo)性和CO2的同化作用增加。用赤霉素誘導(dǎo)水稻OsPIP2；6后，基因表達量增加；赤霉素處理6 d和9 d苗齡月季后，其基因RhPIP1表達量升高24%和19%，在經(jīng)脫落酸處理后，表達量下降50%和70%。

有研究表明，水通道蛋白在植物體內(nèi)微量元素硼的跨膜運輸中發(fā)揮著重要作用。擬南芥中的AtNIP5基因被認為可以將硼元素轉(zhuǎn)運至植物的根系，AtNIP6可以將硼元素優(yōu)先轉(zhuǎn)運至嫩芽生長的組織部位。大麥的HvPIP1；3和HvPIP1；4基因在酵母細胞中過表達之后可增強細胞對環(huán)境中硼元素的耐受度，同時OsPIP2；4和OsPIP2；7基因可以提高水稻植株對環(huán)境中硼脅迫耐受性。

對葡萄的多個水通道蛋白序列分析后得出結(jié)論，這些蛋白具有轉(zhuǎn)運氨、尿素、硼等的特征序列。通過一系列的酵母生長表型的變化分析，認為該蛋白可提高酵母細胞對噴施硼和過氧化氫的敏感性，可能在類似小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運中發(fā)揮重要功能。

4 展望

長久以來都存在一種觀點，認為水通道蛋白可以通過調(diào)節(jié)質(zhì)膜的滲透壓來增加細胞膜的透水性。這一簡單的滲透假說已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于動物上皮液體輸送、植物的水分吸收和蒸騰以及微生物的細胞膜滲透性調(diào)節(jié)。但是該假說并不能合理地解釋在一些細胞、亞細胞和組織水平通過基因消除或者突變等途徑得到的研究結(jié)果。直到2004年Hill等提出了不同的觀點[3]。通過建立水通道蛋白的機械模型進行探討提出假設(shè)，水通道蛋白在細胞膜的滲透性和膨壓中擔(dān)任的是跨膜傳感器的角色；但水通道蛋白在分子層面的作用機理仍需要開展深入研究。

[1] Marty F．Plant vacuoles．Plant Cell，1999，11（4）：587

[2] Chaumont F，Moshelion M，Daniels M J．Regulation of plant aquaporin activity．Biology of the Cell，2005，97（10）：749～764

[3] Hill A S B，Shachar-Hill Y．What are aquaporins for? [Review]．Journal of Membrane Biology，2004，197（1）：1～32