植物YSL家族基因研究進(jìn)展

劉元峰 李素貞 郭晉杰 陳景堂

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 國家玉米改良中心河北分中心 河北省作物種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室，保定 071001）

綜述與專論

植物YSL家族基因研究進(jìn)展

劉元峰 李素貞 郭晉杰 陳景堂

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 國家玉米改良中心河北分中心 河北省作物種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室，保定 071001）

黃色條紋蛋白（Yellow stripe-like protein，YSL）是廣泛存在于植物中的重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要參與植物Fe3+的吸收及對(duì)Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+和Mn2+等金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。目前，對(duì)于黃色條紋蛋白在植物體內(nèi)的表達(dá)模式，亞細(xì)胞定位以及突變體等方面的研究揭示了其在植物生長發(fā)育過程中的作用。綜述了近年來關(guān)于YSL基因在植物中的研究進(jìn)展，旨為研究植物吸收鐵的作用機(jī)理及生物強(qiáng)化谷物籽粒中的鐵含量奠定基礎(chǔ)。

鐵；黃色條紋蛋白；鐵吸收；金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體

鐵是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，在植物的呼吸作用、光合作用、蛋白質(zhì)和核酸的合成及酶促反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用［1］。鐵缺乏會(huì)導(dǎo)致葉綠素合成受阻，表現(xiàn)為新葉黃化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。人類缺鐵會(huì)導(dǎo)致貧血，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起頭暈、心臟病等；孕婦缺鐵會(huì)影響胎兒智力發(fā)育。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有近半數(shù)的人口受缺鐵影響，特別是在發(fā)展中國家的人口中缺鐵比較嚴(yán)重［2］。

鐵在地殼中含量豐富，但地球上許多生物都存在缺鐵現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界大約30%的土壤是石灰性土壤，約40%的土壤缺鐵，植物缺鐵黃化已成為嚴(yán)重的植物營養(yǎng)失調(diào)問題［3-5］。在通氣良好正常pH土壤中，F(xiàn)e2+和Fe3+的濃度通常不超過10-15mol/L，而植物正常生長所需鐵濃度為10-9-10-4mol/L［3，6］，土壤中的鐵遠(yuǎn)低于植物所需要的鐵量。為吸收土壤中難溶性的鐵，植物進(jìn)化出兩種鐵的吸收機(jī)制。而根據(jù)鐵吸收機(jī)制的不同，植物被劃分為機(jī)制I和機(jī)制II植物［7］。雙子葉植物和非禾本科單子葉植物利用機(jī)制I從土壤中吸收鐵。在缺鐵脅迫下，植物首先通過H+-ATPase釋放H+至根際以酸化土壤，增加Fe3+的可溶性，進(jìn)而通過鐵氧化還原酶（FRO）將Fe3+還原成Fe2+，最后IRT1將Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)［8］。禾本科植物利用機(jī)制II吸收鐵。在缺鐵脅迫下，禾本科植物在體內(nèi)合成大量麥根酸（MAs）類物質(zhì)，并分泌至根際；植物鐵載體（PS）麥根酸類物質(zhì)螯合Fe3+形成復(fù)合物，再由黃色條紋蛋白（YSL）將這種復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)。黃色條紋蛋白ZmYS1首先從玉米基因組中被分離出來，其轉(zhuǎn)運(yùn)Fe（III）-植物鐵載體螯合物，它是多肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的一個(gè)成員［9，10］。ys1突變體由于不能轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-PS復(fù)合物而表現(xiàn)出明顯的缺鐵癥狀［11］。由此可見，YSL在禾本科植物吸收鐵的過程中起著非常重要的作用。雖然非禾本科植物、蕨類植物、裸子植物和苔蘚不能合成與利用植物鐵載體PS，但是在這些植物中也存在YSL蛋白，YSL主要的生理功能是轉(zhuǎn)運(yùn)金屬與NA的螯合物。已經(jīng)有一些YSL蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)金屬-NA復(fù)合物的研究被報(bào)道。NA可以與鋅、鐵、銅、錳、鎳等形成復(fù)合物，NA對(duì)于金屬在植物體內(nèi)的長距離運(yùn)輸是必需的。并且YSL蛋白對(duì)于金屬-NA復(fù)合物的運(yùn)輸也是必需的。綜上所述，YSL不論對(duì)于禾本科植物還是雙子葉植物都具有非常重要的作用。在擬南芥、水稻及大麥等作物中，已報(bào)道了一些有關(guān)YSL基因的研究（表1）。因此，本文主要對(duì)YSL蛋白的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)及功能的研究進(jìn)行綜述，以期為進(jìn)一步了解植物體內(nèi)鐵吸收及運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制提供參考。

1 YSL蛋白的發(fā)現(xiàn)

植物缺鐵會(huì)造成子葉變黃，生長受阻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。禾本科植物在根表面通過一種特定的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來吸收Fe3+-PS螯合物［39，40］。早期研究表明，玉米ys1突變體造成植株Fe3+-PS［39，41］和Zn-DMA［42］螯合物吸收系統(tǒng)缺陷。ZmYS1是最早從缺鐵的cDNA文庫中分離得到的基因，由于其突變體不能轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-PS而表現(xiàn)出葉脈變黃，葉片呈黃色條紋狀，因此，該基因被命名為yellow stripe（YS）［11，43］。

2 YSL蛋白的結(jié)構(gòu)

通過對(duì)YSL家族結(jié)構(gòu)模式的研究發(fā)現(xiàn)，YSL家族并沒有一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用SOSUI［44］進(jìn)行預(yù)測(cè)，顯示ZmYS1和HvYS1具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域［45］。使用TOPCONS軟件［46］預(yù)測(cè)ZmYS1和HvYS1具有15個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域［47］。圖1所示SOSUI和TOPCONS預(yù)測(cè)的ZmYS1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。按照SOSUI模型對(duì)ZmYS1與HvYS1結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，在第6與第7跨膜區(qū)之間有一外膜環(huán)狀可變區(qū)。通過評(píng)估HvYS1-ZmYS1嵌合體的轉(zhuǎn)運(yùn)活性表明，第6與第7跨膜區(qū)之間的外膜環(huán)對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)底物特異性具有作用［45，48］。通過對(duì)擬南芥、水稻和玉米所有YSL蛋白進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，只有OsYSL17和ZmYSL6的氨基末端位于胞外，其余蛋白的氨基末端都位于胞內(nèi)。因此，YSL家族真正的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然不太清楚，還需要進(jìn)一步研究。

3 YSL家族基因研究現(xiàn)狀

YSL蛋白已在多種植物中報(bào)道，進(jìn)化樹顯示（圖2）YSL蛋白可劃分為4個(gè)亞家族。ZmYS1、OsYSL15、HvYS1、BdYS1A和BdYS1B屬于第Ⅰ亞家族，在根中受缺鐵誘導(dǎo)，可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-PS螯合物，具有從土壤中吸收鐵的功能［12，21，23，27，35］。在第Ⅱ亞家族中，AtYSL4和AtYSL6定位于液泡膜和葉綠體外膜，OsYSL6定位于細(xì)胞質(zhì)，推測(cè)YSL蛋白的這一亞家族可能對(duì)于金屬螯合物在胞內(nèi)的運(yùn)輸中起著重要作用［19，22，49］。每一類YSL可能具有不同表達(dá)模式、亞細(xì)胞定位，并且對(duì)金屬離子具有不同的選擇性，這些不同決定了其具有不同的生理功能。

3.1 玉米（Zea mays L.）YSL家族基因的研究

ZmYS1是最早在玉米中被發(fā)現(xiàn)的基因，在缺鐵條件下，ZmYS1在根和地上部表達(dá)上調(diào)［11，12，14］。ZmYS1定位于側(cè)根和根冠的表皮細(xì)胞及葉肉細(xì)胞［12］，表明ZmYS1可能參與根中鐵的吸收和細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸。ZmYS1在酵母突變體中能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Fe（III）-DMA、Fe（III）-MA、Fe（II）-NA、Zn-DMA、Ni-NA、Cu-MA螯合物［13，14］，在爪蟾卵母細(xì)胞中，其表達(dá)產(chǎn)物也能夠介導(dǎo)Fe（III）-DMA、Fe（III）-MA、Fe（II）-NA、Zn-DMA、Cu-MA、Ni-MA、Cd-DMA的轉(zhuǎn)運(yùn)［13］，表明ZmYS1具有廣泛的底物轉(zhuǎn)運(yùn)特異性。關(guān)于玉米中其它YSLs基因的表達(dá)模式、亞細(xì)胞定位及底物選擇性等未見報(bào)道，所以其它ZmYSLs基因的功能還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 擬南芥（Arabidopsis thaliana）YSL家族基因的研究

盡管雙子葉植物不能合成植物鐵載體，但在擬南芥中也有關(guān)于YSL家族成員的研究。YSL類蛋白在擬南芥中主要參與Fe-NA或Fe-citrate復(fù)合物的運(yùn)輸。在擬南芥中共預(yù)測(cè)到8個(gè)YSL基因。缺鐵條件下，AtYSL1、AtYSL2和AtYSL3在地上部的表達(dá)量均降低［17，18］。高鐵條件下，AtYSL1在葉的木質(zhì)部薄壁組織中表達(dá)上調(diào)，在花粉粒和幼角果中也有表達(dá)。ysl1突變體在地上部積累大量NA，而種子中NA和鐵的含量明顯要比野生型中的含量低［16］。這些結(jié)果表明，AtYSL1可能具有將鐵從莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)至種子中的作用［16］。AtYSL3在根部和地上部均有表達(dá)，在衰老的蓮座葉和莖生葉中表達(dá)量最高。ysl1和ysl3突變體植株沒有明顯的表型，而ysl1ysl3雙突變體表現(xiàn)出明顯的缺鐵癥狀［17］。ysl1ysl3雙突變體在葉中鐵的含量減少，而錳、鋅和銅的含量增加，種子中

鐵、鋅和銅的含量降低。ysl1ysl3雙突變體影響花粉和胚的發(fā)育，表明AtYSL1和AtYSL3參與葉中金屬離子的運(yùn)輸及種子中的儲(chǔ)存［17］。AtYSL1和AtYSL3能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+-NA螯合物，但同時(shí)檢測(cè)到AtYSL3也具有轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-DMA的功能［15］。由于擬南芥不能合成PS，因此猜測(cè)AtYSL3也具有轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-NA的活性，因?yàn)镹A在所有植物體內(nèi)均存在［43］。但在實(shí)驗(yàn)中并沒有檢測(cè)到AtYSL3具有轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-NA的活性，所以AtYSL3真正的轉(zhuǎn)運(yùn)底物特異性還需要進(jìn)一步的研究。AtYSL2在根和地上部的許多細(xì)胞中表達(dá)，其蛋白定位于維管束薄壁細(xì)胞的質(zhì)膜上，AtYSL2在外源提供Fe2+-NA，Cu2+-NA時(shí)能夠恢復(fù)相應(yīng)酵母吸收缺陷突變體的生長［18］。AtYSL2在缺鋅、缺鐵的根及地上部表達(dá)下調(diào)［50］。以上結(jié)果表明，AtYSL2可能參與鐵銅在維管束中的運(yùn)輸及鋅鐵在植物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)［18，50，51］。AtYSL4和AtYSL6蛋白定位于液泡膜和葉綠體被膜上。在高M(jìn)n、高Ni條件下，ysl4和ysl6突變體顯示生長缺陷，表明這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)作用。組成型過表達(dá)YSL4或YSL6極大的減弱了植株對(duì)缺鐵的耐性，同時(shí)極大的降低了葉綠體內(nèi)的鐵含量［19，49］。此外，AtYSL4和AtYSL6還是液泡膜蛋白質(zhì)組的成員［52］。這些結(jié)果表明，AtYSL4和AtYSL6可能具有將錳鎳轉(zhuǎn)運(yùn)出液泡及葉綠體進(jìn)而對(duì)鐵起到解毒的作用。

表 1 不同植物 YSL 家族基因及功能

圖1 ZmYS1蛋白拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

圖2 不同物種YSL成員系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹

3.3 水稻（Oryza sativa）YSL家族基因的研究

在水稻全基因組中共預(yù)測(cè)出18個(gè)YSL家族成員，與ZmYS1序列相似性達(dá)到36%-76%［20］。OsYSL2蛋白由674個(gè)氨基酸組成，含有14個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。OsYSL2在葉片中受缺鐵誘導(dǎo)表達(dá)，其蛋白定位于質(zhì)膜上。GUS染色顯示，OsYSL2在根的伴胞、葉及葉鞘韌皮部薄壁細(xì)胞中表達(dá)量較高，在發(fā)育的花和種子中也有表達(dá)，OsYSL2可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+-NA和Mn2+-NA螯合物，表明OsYSL2可能負(fù)責(zé)鐵錳在韌皮部的運(yùn)輸及將其轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒中的過程［20，53］。OsYSL6在根及地上部表達(dá)，基因敲除后植物在高錳的根及地上部表現(xiàn)生長緩慢，OsYSL6具有轉(zhuǎn)運(yùn)Mn-NA螯合物的功能，表明OsYSL6參與水稻體內(nèi)錳的解毒［22］。OsYSL15在缺鐵根的表皮、外皮層以及韌皮部細(xì)胞中表達(dá)，在花和種子中也有表達(dá)。其蛋白定位于質(zhì)膜上，敲除ysl15突變體幼苗表現(xiàn)缺鐵黃化，生長受阻，根、地上部及種子中的鐵含量減少。過表達(dá)OsYSL15可增加葉及種子中的鐵含量。此外，OsYSL15可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-DMA和Fe2+-NA螯合物。這些結(jié)果表明，OsYSL15對(duì)鐵在植物體內(nèi)的吸收、運(yùn)輸及儲(chǔ)存具有重要作用［21，23］。OsYSL16和OsYSL18編碼Fe3+-DMA轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與鐵在植物體內(nèi)的分布和運(yùn)輸，特別是在生殖器官中鐵的運(yùn)輸［24，26，54］。OsYSL16在根表皮細(xì)胞和整個(gè)植株的維管束中表達(dá)，在原節(jié)點(diǎn)的維管束中，在老葉的木質(zhì)部和新葉的韌皮部中均有表達(dá)，表明OsYSL16可能通過維管束參與鐵的分配［24］。另外，OsYSL16也可以轉(zhuǎn)運(yùn)Cu-NA，負(fù)責(zé)水稻體內(nèi)銅的分布［25］。OsYSL18由679個(gè)氨基酸組成，含有13個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其蛋白定位于質(zhì)膜上。OsYSL18在植物特定部位表達(dá)，包括生殖器官（花粉/花粉管）和營養(yǎng)器官（葉節(jié)點(diǎn)/根冠內(nèi)皮層/韌皮部軟組織/葉鞘基部的伴胞細(xì)胞），表明OsYSL18參與鐵在生殖器官和韌皮部節(jié)點(diǎn)中的運(yùn)輸［26］。

3.4 大麥（Hordeum vulgare）YSL家族基因的研究在大麥中，HvYS1在根中受缺鐵和高鎘誘導(dǎo)表達(dá)［28］，其蛋白定位于根的表皮細(xì)胞［12，27］。HvYS1在爪蟾卵母細(xì)胞中能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-MA螯合物，不能轉(zhuǎn)運(yùn)Zn2+-MA、Cu2+-MA及Ni2+-MA螯合物。酵母互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證明HvYS1具有轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-MA的功能［27］，表明HvYS1具有專一的底物特異性。在矮牽牛中過表達(dá)HvYS1能夠增加植株在Fe3+-DMA處理的堿性條件下的耐受性，轉(zhuǎn)基因植株花的顏色也明顯更深，表明HvYS1能促進(jìn)植株在堿性條件下對(duì)鐵的吸收［55］。最近的研究表明，利用玉米u(yù)biquitin1啟動(dòng)子啟動(dòng)HvYS1在水稻中過表達(dá)，過表達(dá)植株根、葉、稻殼和種子中鐵含量與野生型相比顯著增高，在胚乳中鋅、錳的含量無明顯變化，而銅的含量顯著降低。此外，過表達(dá)植株在高鎘的根、葉及種子中鎘的含量也顯著降低。這些結(jié)果表明，異位過表達(dá)HvYS1促進(jìn)了水稻體內(nèi)鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及儲(chǔ)存并導(dǎo)致內(nèi)源金屬達(dá)到新的平衡［56］。HvYSL2在根和地上部受缺鐵誘導(dǎo)，其蛋白定位于根的內(nèi)皮層，HvYSL2可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-PS，Zn2+-PS，Ni2+-PS，Cu2+-PS，Mn2+-PS，Co2+-PS螯合物［29］，可能在大麥體內(nèi)對(duì)于金屬離子的運(yùn)輸具有作用。HvYSL5主要在大麥的根中表達(dá)，并且受缺鐵誘導(dǎo)，時(shí)空表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)HvYSL5的表達(dá)呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律，敲除HvYSL5后植物沒有表現(xiàn)出明顯的表型，推測(cè)HvYSL5可能具有瞬時(shí)存儲(chǔ)鐵或植物鐵載體的功能［30］。

3.5 超富集植物YSL基因的研究

Gendre等［31］從天藍(lán)遏藍(lán)菜（Thlaspi caerulescens）中克隆出3個(gè)YSL基因。TcYSL3在植物各組織中均有表達(dá)，TcYSL5在地上部表達(dá)量較高，TcYSL7在花中表達(dá)量較高。原位雜交實(shí)驗(yàn)表明，TcYSL5和TcYSL7在地上部維管組織及根的中柱中表達(dá)。酵母互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和吸收測(cè)定表明，TcYSL3是一個(gè)Fe/Ni-NA轉(zhuǎn)運(yùn)體。

Das等［32］從印度芥菜（Brassica juncea）中克隆了27個(gè)YSL基因。BjYSL5.8在缺鋅、高鉛處理的根中表達(dá)上調(diào)，而在高鎘的根中表達(dá)下調(diào)，BjYSL6.1在缺鐵、高鎘地上部表達(dá)上調(diào)，表明YSLs基因在超富集植物中對(duì)金屬離子的運(yùn)輸具有作用。Wang等［33］從印度芥菜中克隆到BjYSL7基因，BjYSL7主要在莖中表達(dá)，當(dāng)用Fe、Ni和Cd處理時(shí)，BjYSL7的表達(dá)量顯著增高。BjYSL7可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe2+-NA螯合物。BjYSL7：：EGFP融合蛋白定位于洋蔥表皮細(xì)胞的質(zhì)膜。在煙草中過表達(dá)BjYSL7在鎘、鎳處理下與野生型相比具有更長的根。鎘和鎳的含量在過表達(dá)植株的地上部增加，鐵的含量在地上部和種子中增加，在根中減少。這些結(jié)果表明，BjYSL7參與鐵、鎘和鎳向地上部的運(yùn)輸及提高植株對(duì)重金屬的耐受性。

Feng等［34］從龍葵（Solanum nigrum）中克隆出SnYSL3基因。RNA原位雜交實(shí)驗(yàn)表明，SnYSL3主要在根、莖的表皮細(xì)胞和維管組織中表達(dá)，而在葉的維管組織中mRNA的含量高。在高Cd、高Fe和缺Cu條件下，SnYSL3的表達(dá)上調(diào)。在酵母中，SnYSL3可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe（II）/Cu/ Zn/Cd-NA復(fù)合物。在擬南芥中過表達(dá)SnYSL3能降低根中Fe和Mn含量，促進(jìn)根至地上部的運(yùn)輸。在有Cd條件下，轉(zhuǎn)基因擬南芥自根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)Fe、Cd的量增加。以上結(jié)果表明SnYSL3具有廣泛的底物特異性，并且對(duì)于應(yīng)答重金屬的脅迫有重要作用，尤其是Fe、Cd。

3.6 其它植物YSL基因的研究

Yordem等［35］在二穗短柄草（Brachypodium distachyon）中鑒定出19個(gè)YSL基因。低鐵條件下，BdYS1A、BdYS1B、BdYSL6A、BdYSL6B和BdYSL9在根中表達(dá)上調(diào)，BdYSL1，BdYSL2和BdYSL3在地上部表達(dá)下調(diào)，而BdYSL13在根中表達(dá)下調(diào)，BdYS1A可轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+-DMA螯合物，表明BdYSL可能在植物鐵代謝中發(fā)揮作用。Yang等［36］從梨（Pyrus bretschneideri）中鑒定出8個(gè)YSL基因，在進(jìn)化樹中可分為4組?；ǚ刍钚苑治霰砻?，低濃度的鐵離子有利于梨花粉萌發(fā)和花粉管生長。在8個(gè)YSL基因中，PBrYSL4在所有組織中高表達(dá)。其中，7個(gè)YSL基因在梨花粉中表達(dá)，PBrYSL4參與鐵在花粉中的運(yùn)輸。此外，在高鐵處理?xiàng)l件下，PBrYSL4能恢復(fù)酵母突變體Δccc1的生長。以上結(jié)果表明，PBrYSL4參與梨花粉管生長中的鐵運(yùn)輸。劉麗麗等［37，38］從小金海棠（Malus xiaojinenesis）中克隆到MxYSL1和MxYSL7基因，MxYSL1在根、莖、新葉和成熟葉中均有表達(dá)，低鐵時(shí)MxYSL1 在新葉中表達(dá)上調(diào)，過量鐵時(shí)MxYSL1在根、莖和成熟葉中誘導(dǎo)增強(qiáng)表達(dá)［37］。MxYSL7在莖、新葉和成熟葉中表達(dá)，低鐵時(shí)MxYSL7在新葉中表達(dá)上調(diào)，過量鐵時(shí)莖和成熟葉中MxYSL7表達(dá)增強(qiáng)［38］。這些結(jié)果表明，MxYSL1和MxYSL7可能參與鐵從篩管卸載到葉肉細(xì)胞及植物體內(nèi)鐵的解毒。

4 結(jié)語

近年來，YSL基因在參與植物體內(nèi)微量元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和保持體內(nèi)金屬離子平衡中的研究取得了一定的進(jìn)展。并且，YSL表達(dá)模式、組織分布以及亞細(xì)胞定位等實(shí)驗(yàn)的研究，對(duì)于闡明其在植物鐵吸收和金屬螯合物的運(yùn)輸中的功能具有重要作用。此外，對(duì)于YSL基因功能的研究將有助于我們篩選到能夠用于提高主糧作物微量營養(yǎng)元素含量的功能基因?qū)⑵鋺?yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。例如，在水稻中過表達(dá)HvYS1能夠增強(qiáng)水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及儲(chǔ)存鐵的功能，最終使水稻籽粒中鐵的含量提高。并且，HvYS1對(duì)鐵的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)是特異的，過表達(dá)該基因不會(huì)導(dǎo)致其它重金屬離子在籽粒中增加。因此HvYS1可用于增加谷物籽粒中的鐵含量。同樣，過表達(dá)OsYSL15可增加水稻葉片及種子中的鐵含量。此外，在矮牽牛中過表達(dá)HvYS1能夠增加植株在堿性條件對(duì)缺鐵的耐受性。因此，YSLs在提高谷物籽粒中的鐵含量及增強(qiáng)植物對(duì)缺鐵的抗逆性方面是有重要作用的。然而，當(dāng)前關(guān)于YSLs的研究大多還處于對(duì)基因表達(dá)模式、組織分布以及亞細(xì)胞定位等研究的初步階段，對(duì)于YSLs在提高谷物籽粒中鐵含量及增強(qiáng)植物對(duì)缺鐵抗逆性方面的研究還很少。并且，在玉米中除了對(duì)ZmYS1基因進(jìn)行了初步的研究外，關(guān)于玉米中其它YSLs基因的功能分析還未見報(bào)道。因此，我們對(duì)玉米中的YSLs家族基因進(jìn)行了初步分析，并將進(jìn)一步對(duì)ZmYSLs基因的功能進(jìn)行研究，為了解玉米中鐵吸收及運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)作用機(jī)理以及培育鐵高效的植物新品種提供功能基因及理論依據(jù)。

［1］ Goyer RA. Nutrition and metal toxicity［J］. American Journal of Clinical Nutrition, 1995, 61（3 Suppl）：646s-650s.

［2］ Yuan DS, Stearman R, Dancis A, et al. The Menkes/Wilson disease gene homologue in yeast provides copper to a ceruloplasmin-like oxidase required for iron uptake［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1995, 92（7）：2632-2636.

［3］ Guerinot ML, Yi Y. Iron：nutritious, noxious, and not readily available［J］. Plant Physiology, 1994, 104（3）：815-820.

［4］ Mori S. Iron acquisition by plants［J］. Current Opinion in Plant Biology, 1999, 2（3）：250-253.

［5］ 云少君, 趙廣華. 植物鐵代謝及植物鐵蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展［J］. 生命科學(xué), 2012, 24（8）：809-816.

［6］ Marschner H. Mineral nutrition of higher plants［J］. Journal of Ecology, 1995, 76（4）：681-861.

［7］ Romheld V, Marschner H. Evidence for a specific uptake system for iron phytosiderophores in roots of grasses［J］. Plant Physiology, 1986, 80（1）：175-180.

［8］ Eide D, Broderius M, Fett J, et al. A novel iron-regulated metal transporter from plants identified by functional expression in yeast［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1996, 93（11）：5624-5628.

［9］ Yen MR, Tseng YH, Jr SM. Maize Yellow Stripe1, an ironphytosiderophore uptake transporter, is a member of the oligopeptide transporter（OPT）family［J］. Microbiology, 2001, 147（Pt 11）：2881-2883.

［10］ Lubkowitz M. The OPT family functions in long-distance peptide and metal transport in plants［J］. Genetic Engineering, 2006, 27（3）：35-55.

［11］ Curie C, Panaviene Z, Loulergue C, et al. Maize yellow stripe1 encodes a membrane protein directly involved in Fe（III）uptake［J］. Nature, 2001, 409（6818）：346-349.

［12］ Ueno D, Yamaji N, Ma JF. Further characterization of ferricphytosiderophore transporters ZmYS1 and HvYS1 in maize and barley［J］. Journal of Experimental Botany, 2009, 60（12）：3513-3520.

［13］ Schaaf G, Ludewig U, Erenoglu BE, et al. ZmYS1 functions as a proton-coupled symporter for phytosiderophore- and nicotianaminechelated metals［J］. Journal of Biological Chemistry, 2004, 279（10）：9091-9096.

［14］ Roberts LA, Pierson AJ, Panaviene Z, et al. Yellow stripe1. Expanded roles for the maize iron-phytosiderophore transporter［J］. Plant Physiology, 2004, 135（1）：112-120.

［15］ Chu HH, Chiecko J, Punshon T, et al. Successful reproduction requires the function of Arabidopsis Yellow Stripe-Like1 and Yellow Stripe-Like3 metal-nicotianamine transporters in both vegetative and reproductive structures［J］. Plant Physiology, 2010, 154（1）：197-210.

［16］ Le Jean M, Schikora A, Mari S, et al. A loss-of-function mutation in AtYSL1 reveals its role in iron and nicotianamine seed loading［J］. Plant Journal, 2005, 44（5）：769-782.

［17］ Waters BM, Chu HH, Didonato RJ, et al. Mutations in Arabidopsis yellow stripe-like1 and yellow stripe-like3 reveal their roles in metal ion homeostasis and loading of metal ions in seeds［J］. Plant Physiology, 2006, 141（4）：1446-1458.

［18］ DiDonato RJ, Jr. , Roberts LA, Sanderson T, et al. Arabidopsis Yellow Stripe-Like2（YSL2）：a metal-regulated gene encoding a plasma membrane transporter of nicotianamine-metal complexes［J］. Plant Journal, 2004, 39（3）：403-414.

［19］ Divol F, Couch D, Conejero G, et al. The Arabidopsis YELLOW STRIPE LIKE4 and 6 transporters control iron release from the chloroplast［J］. Plant Cell, 2013, 25（3）：1040-1055.

［20］ Koike S, Inoue H, Mizuno D, et al. OsYSL2 is a rice metalnicotianamine transporter that is regulated by iron and expressed inthe phloem［J］. Plant Journal, 2004, 39（3）：415-424.

［21］ Lee S, Chiecko JC, Kim SA, et al. Disruption of OsYSL15 leads to iron inefficiency in rice plants［J］. Plant Physiology, 2009, 150（2）：786-800.

［22］ Sasaki A, Yamaji N, Xia J, et al. OsYSL6 is involved in the detoxification of excess manganese in rice［J］. Plant Physiology, 2011, 157（4）：1832-1840.

［23］ Inoue H, Kobayashi T, Nozoye T, et al. Rice OsYSL15 is an ironregulated iron（III）-deoxymugineic acid transporter expressed in the roots and is essential for iron uptake in early growth of the seedlings［J］. Journal of Biological Chemistry, 2009, 284（6）：3470-3479.

［24］ Kakei Y, Ishimaru Y, Kobayashi T, et al. OsYSL16 plays a role in the allocation of iron［J］. Plant Molecular Biology, 2012, 79（6）：583-594.

［25］ Zheng L, Yamaji N, Yokosho K, et al. YSL16 is a phloem-localized transporter of the copper-nicotianamine complex that is responsible for copper distribution in rice［J］. Plant Cell, 2012, 24（9）：3767-3782.

［26］ Aoyama T, Kobayashi T, Takahashi M, et al. OsYSL18 is a rice iron（III）-deoxymugineic acid transporter specifically expressed in reproductive organs and phloem of lamina joints［J］. Plant Molecular Biology, 2009, 70（6）：681-692.

［27］ Murata Y, Ma JF, Yamaji N, et al. A specific transporter for iron（III）-phytosiderophore in barley roots［J］. Plant Journal, 2006, 46（4）：563-572.

［28］ Hodoshima H, Enomoto Y, Shoji K, et al. Differential regulation of cadmium-inducible expression of iron-deficiency-responsive genes in tobacco and barley［J］. Physiologia Plantarum, 2007, 129（3）：622-634.

［29］ Araki R, Murata J, Murata Y. A novel barley yellow stripe 1-like transporter（HvYSL2）localized to the root endodermis transports metal-phytosiderophore complexes［J］. Plant and Cell Physiology, 2011, 52（11）：1931-1940.

［30］ Zheng L, Fujii M, Yamaji N, et al. Isolation and characterization of a barley yellow stripe-like gene, HvYSL5［J］. Plant and Cell Physiology, 2011, 52（5）：765-774.

［31］ Gendre D, Czernic P, Conejero G, et al. TcYSL3, a member of the YSL gene family from the hyper-accumulator Thlaspi caerulescens, encodes a nicotianamine-Ni/Fe transporter［J］. Plant Journal, 2007, 49（1）：1-15.

［32］ Das S, Seal A. Isolation and expression analysis of partial sequences of heavy metal transporters from Brassica juncea by coupling high throughput cloning with a molecular fingerprinting technique［J］. Planta, 2011, 234（1）：139-156.

［33］ Wang JW, Li Y, Zhang YX, et al. Molecular cloning and characterization of a Brassica juncea yellow stripe-like gene, BjYSL7, whose overexpression increases heavy metal tolerance of tobacco［J］. Plant Cell Reports, 2013, 32（5）：651-662.

［34］ Feng SS, Tan JJ, Zhang YX, et al. Isolation and characterization of a novel cadmium-regulated Yellow Stripe-Like transporter（SnYSL3）in Solanum nigrum［J］. Plant Cell Reports, 2017, 36（2）：281-296.

［35］ Yordem BK, Conte SS, Ma JF, et al. Brachypodium distachyon as a new model system for understanding iron homeostasis in grasses：phylogenetic and expression analysis of Yellow Stripe-Like（YSL）transporters［J］. Annals of Botany, 2011, 108（5）：821-833.

［36］ Yang J, Chen J, Chen X, et al. Phylogenetic and expression analysis of pear yellow stripe-like transporters and functional verification of PbrYSL4 in pear pollen［J］. Plant Molecular Biology Reporter, 2016, 34（4）：737-747.

［37］ 劉麗麗, 許雪峰, 孔瑾, 等. 小金海棠MxYSL1基因的克隆與表達(dá)分析［J］. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 17（2）：288-293.

［38］ 劉麗麗, 孔謹(jǐn), 許雪峰, 等. 小金海棠類黃色條紋蛋白基因MxYSL7的克隆與表達(dá)分析［J］. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 13（6）：25-30.

［39］ Von Wiren N, Mori S, Marschner H, et al. Iron inefficiency in maize mutant ys1（Zea mays L. cv yellow-stripe）is caused by a defect in uptake of iron phytosiderophores［J］. Plant Physiology, 1994, 106（1）：71-77.

［40］ Von Wiren N, Marschner H, Romheld V. Uptake kinetics of iron-phytosiderophores in two maize genotypes differing in iron efficiency［J］. Physiologia Plantarum, 1995, 93（4）：611-616.

［41］ Hopkins BG, Jolley VD, Brown JC. Plant utilization of iron solubilized by oat phytosiderophore［J］. Journal of Plant Nutrition, 1992, 15（10）：1599-1612.

［42］ Von Wiren N, Marschner H, Romheld V. Roots of iron-efficient maize also absorb phytosiderophore-chelated zinc［J］. Plant Physiology, 1996, 111（4）：1119-1125.

［43］ Von Wiren N, Klair S, Bansal S, et al. Nicotianamine chelates bothFeIII and FeII. Implications for metal transport in plants［J］. Plant Physiology, 1999, 119（3）：1107-1114.

［44］ Hirokawa T, Boon-Chieng S, Mitaku S. SOSUI：classification and secondary structure prediction system for membrane proteins［J］. Bioinformatics, 1998, 14（4）：378-379.

［45］ Harada E, Sugase K, Namba K, et al. Structural element responsible for the Fe（III）-phytosiderophore specific transport by HvYS1 transporter in barley［J］. FEBS Letters, 2007, 581（22）：4298-4302.

［46］ Hennerdal A, Elofsson A. Rapid membrane protein topology prediction［J］. Bioinformatics, 2011, 27（9）：1322-1323.

［47］ Conte SS, Walker EL. Genetic and biochemical approaches for studying the yellow stripe-like transporter family in plants［J］. Current Topics in Membranes, 2012, 69（69）：295-322.

［48］ Murata Y, Harada E, Sugase K, et al. Specific transporter for iron（III）-phytosiderophore complex involved in iron uptake by barley roots［J］. Pure and Applied Chemistry, 2008, 80（12）：2689-2697.

［49］ Conte SS, Chu HH, Rodriguez DC, et al. Arabidopsis thaliana Yellow Stripe1-Like4 and Yellow Stripe1-Like6 localize to internal cellular membranes and are involved in metal ion homeostasis［J］. Frontiers in Plant Science, 2013, 4：283.

［50］ Schaaf G, Schikora A, Haberle J, et al. A putative function for the Arabidopsis Fe-Phytosiderophore transporter homolog AtYSL2 in Fe and Zn homeostasis［J］. Plant and Cell Physiology, 2005, 46（5）：762-774.

［51］ Colangelo EP, Guerinot ML. Put the metal to the petal：metal uptake and transport throughout plants［J］. Current Opinion in Plant Biology, 2006, 9（3）：322-330.

［52］ Jaquinod M, Villiers F, Kieffer-Jaquinod S, et al. A proteomics dissection of Arabidopsis thaliana vacuoles isolated from cell culture［J］. Molecular and Cellular Proteomics, 2007, 6（3）：394-412.

［53］ Ishimaru Y, Masuda H, Bashir K, et al. Rice metal-nicotianamine transporter, OsYSL2, is required for the long-distance transport of iron and manganese［J］. Plant Journal, 2010, 62（3）：379-390.

［54］ Lee S, Ryoo N, Jeon JS, et al. Activation of rice Yellow Stripe1-Like 16（OsYSL16）enhances iron efficiency［J］. Molecules and Cells, 2012, 33（2）：117-126.

［55］ Murata Y, Itoh Y, Iwashita T, et al. Transgenic petunia with the Iron（III）-Phytosiderophore transporter gene acquires tolerance to iron deficiency in alkaline environments［J］. PloS One, 2015, 10（3）：e0120227.

［56］ Banakar R, Fernández áA, Abadía J, et al. The expression of heterologous Fe（III）phytosiderophore transporter HvYS1 in rice increases Fe uptake, translocation and seed loading and excludes heavy metals by selective Fe transport［J］. Plant Biotechnology Journal, 2017, 15（4）：423-432.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Progress on YSL Transporters Gene Family

LIU Yuan-feng LI Su-zhen GUO Jin-jie CHEN Jing-tang
（Department of Agronomy，Agricultural University of Hebei/Hebei Sub-center of National Maize Improvement Center/Key Laboratory for Crop Germplasm Resources of Hebei，Baoding 071001）

YSL（yellow stripe-like protein）are widely present in plants for the absorption and transporter of heavy metal. They are mainly involved in the absorption of Fe3+and the transport of metal ions such as Fe2+，Zn2+，Cu2+，Ni2+and Mn2+. At present，the research on the expression pattern，subcellular localization and the mutant of YSL in plants reveals its role in plant growth and development. In this paper，the research progress of YSL genes in plants in recent years are reviewed，which aims to lay the foundation for studying the mechanism of plant absorbing iron and the iron content in cereal grains by the biological enhancement.

iron；yellow stripe-like protein；iron acquisition；metal transporter

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017-0375

2017-05-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31671768），河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目（2015-2016）

劉元峰，男，碩士研究生，研究方向：作物遺傳育種；E-mail：liuyuanfeng316@163.com

陳景堂，男，博士，教授，研究方向：玉米遺傳育種；E-mail：chenjingtang@126.com