水通道蛋白在植物抗逆中的功能及調(diào)控研究進展①

曾黎明 曾 堅

(1 海南微氪生物科技股份有限公司 海南?？?70100;2 韶關(guān)學(xué)院英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院 廣東韶關(guān)512005)

植物通過根部從土壤吸收水分，并分配到其他組織。水從土壤向木質(zhì)部導(dǎo)管運動是維持細胞內(nèi)水穩(wěn)態(tài)的重要途徑。細胞通過共質(zhì)體、質(zhì)外體和跨膜運輸3 種不同的途徑介導(dǎo)水分運動。其中，水分的跨膜運輸是通過定位在生物膜上的水通道蛋白實現(xiàn)的［1］。水通道蛋白在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、逆境適應(yīng)、氣孔運動、開花、生殖等方面起著重要作用。近年來，水通道蛋白在植物抗逆中的功能及調(diào)控機制研究逐漸深入，并取得了一系列重要進展［2-3］。

本研究總結(jié)了植物水通道蛋白的基本特征和分類，分析了水通道蛋白基因在植物抗旱、耐鹽、耐低溫方面的功能，描述了植物水通道蛋白修飾與調(diào)控方面的研究進展，以便相關(guān)研究領(lǐng)域科技工作者對近年來水通道蛋白在植物抗逆中的功能及調(diào)控有更充分的了解。

1 水通道蛋白的基本特征和分類

水通道蛋白（Aquaporins， AQPs）是一種高度保守的低分子量（21～32 kDa）膜蛋白，屬于主要的內(nèi)在蛋白（MIP）超家族，具有轉(zhuǎn)運水和其他小分子的功能，如甘油、O2、CO2、NH3、硼、硅、活性氧［1，4-5］。AQP家族首先在人類中發(fā)現(xiàn)［6］，隨后在動物、植物、真菌和細菌中被廣泛分離［7-8］。植物AQP 含有 保 守的Asn-Pro-Ala （NPA） motifs、aromatic/arginine（ar/R）區(qū)域和跨膜結(jié)構(gòu)域，其跨膜結(jié)構(gòu)域由6 個跨膜α-螺旋和5 個短環(huán)構(gòu)成［9］。目前，AQP 家族基因已在多種植物中被發(fā)現(xiàn)，擬南芥中35 個［10］，水稻中33 個［11］，玉米中36 個［12］，大白菜中53 個［13］，番茄中47 個［14］，香蕉中47 個［8］。根據(jù)亞細胞定位和序列同源性，植物AQP 家族被分為8 組，包括質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（plasma membrane intrinsic proteins，PIPs）、液泡膜內(nèi)在蛋白（tonoplast intrinsic proteins，TIPs）、根瘤素26-類內(nèi)在蛋白（nodulin 26-like intrinsic proteins，NIPs）、小的基本內(nèi)在蛋白（small basic intrinsic proteins， SIPs）、GlpF-like 內(nèi)在蛋白（GlpF-like intrinsic proteins，GIPs）、混合內(nèi)在蛋白（hybrid intrinsic proteins，HIPs）、X 內(nèi)在蛋白（X intrinsic proteins，XIPs） 和大內(nèi)在蛋白（large intrinsic proteins，LIPs）［10，15］。

2 水通道蛋白在植物抗逆中的功能

2.1 水通道蛋白能提高植物抗旱性

作為植物的主要水通道，缺水條件下水通道蛋白的功能和調(diào)控研究一直備受關(guān)注。長期接觸到缺水土壤的植物根系中水通道蛋白的活性會受到抑制，進而阻止水分從根細胞向干燥土壤反向運輸［16-19］。相反，早期干旱條件可誘導(dǎo)水通道蛋白的表達和活性，促進植物吸收土壤中的水分［20］。擬南芥中35 個水通道蛋白基因表達分析表明，在干旱條件下大多數(shù)PIP和TIP基因表達水平較高，而NIP表達水平較低［16］。另外，一些水通道蛋白基因（AtPIP2；6、AtSIP1；1等）在缺水條件下表現(xiàn)組成型表達或不敏感。不同植物的比較轉(zhuǎn)錄組研究表明，干旱處理主要誘導(dǎo)水通道蛋白PIP和TIP亞類上調(diào)表達［21］。

生理生化和遺傳學(xué)的研究廣泛揭示了水通道蛋白能提高植物對干旱或滲透脅迫的耐受性，包括 水 稻OsPIP1-1、OsPIP2-2、OsPIP1；3，小 麥TaAQP7、TdPIP2；1，番 茄SlPIP2；1、SlPIP2；7、SlPIP2；5、SlTIP2；2，大豆GmPIP2；9，香蕉MusaPIP1；2、MaPIP1；1、MaPIP2-7，蘋 果MdPIP1；3，蠶 豆VfPIP1，油 菜BnPIP1［5，7，22-30］。在擬南芥中過表達水稻OsPIP1-1 或OsPIP2-2 可顯著提高植物干旱耐受能力［7］。小麥TaAQP7受脫水、滲透、ABA和雙氧水誘導(dǎo)，在煙草中過量表達Ta-AQP7 可顯著提高煙草耐旱能力。生理分析表明，在干旱或滲透條件下，TaAQP7 過表達時株系可維持較高發(fā)芽率、根長度、相對水含量、SOD 活力、CAT 活力，并保持較低MDA 和雙氧水含量［25］。香蕉MaPIP2-7 受滲透脅迫誘導(dǎo)，在香蕉中過量表達MaPIP2-7 可顯著提高香蕉的耐旱能力。干旱處理下，MaPIP2-7過表達時株系中MDA和離子滲漏水平較低，而葉綠素、脯氨酸、可溶性糖和ABA 含量較高［24］。

2.2 水通道蛋白能提高植物抗寒性

低溫脅迫（4～8℃）會降低水導(dǎo)率，并影響植物水分轉(zhuǎn)運。耐冷植物可能會在低溫后恢復(fù)存活，低溫敏感植物可能無法克服冷脅迫，而在隨后恢復(fù)過程中枯死。擬南芥、水稻、玉米根和葉的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，大多數(shù)水通道蛋白基因表達受低溫脅迫抑制［11，31-33］；但是，在恢復(fù)期，根中特異表達的PIP基因被上調(diào)。水稻OsPIP2；5的相對表達在長期低溫處理后被顯著誘導(dǎo)［34］。早期的低溫脅迫也誘導(dǎo)香蕉中一些PIP和TIP的表達升高，包 括MaPIP1；1、MaPIP1；2、MaPIP2；4、MaPIP2；6和MaTIP1；3［35］。

一些水通道蛋白基因被證實能提高植物對低溫脅迫的耐受性，包括TaAQ7、OsPIP2；7、MusaPIP1； 2、 MaPIP2-7、 PIP1； 4和PIP2；5［23-24，36-39］。香 蕉MaPIP2-7的 表 達 受 低溫 脅 迫誘導(dǎo)，在香蕉中過量表達MaPIP2-7可顯著提高香蕉對低溫脅迫的耐受能力。低溫處理下，MaPIP2-7過表達的株系中MDA含量和離子滲漏水平較低，而葉綠素、脯氨酸、可溶性糖和ABA 含量較高［24］。香蕉MusaPIP1；2 表達也受低溫誘導(dǎo)，MusaPIP1；2 過表達株系對低溫脅迫的耐受性更強，其葉片MDA 水平較低，而相對水含量、光合效率、脯氨酸含量較高［23］。在水稻中過表達OsPIP2；7可提高水稻在低溫脅迫下的存活率，并且可影響水稻其它AQP基因的表達水平［37］。低溫脅迫顯著降低了擬南芥根系的水導(dǎo)率，但不能改變PIP1；4和PIP2；5過表達株系根的水導(dǎo)率，表明過表達PIP1；4和PIP2；5可提高擬南芥低溫耐受性［39］。

2.3 水通道蛋白能提高植物耐鹽性

土壤高鹽分積累會影響植物細胞滲透勢和細胞功能，進而影響植物生長發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)［40-41］。鹽脅迫在早期導(dǎo)致植物根系吸收水分受阻。高鹽處理引發(fā)水導(dǎo)率快速大幅下降，且抑制擬南芥根中PIP和TIP基因表達［42］。此外，高鹽處理導(dǎo)致水通道蛋白基因下調(diào)在大麥中也有所報道［43-44］。相反，玉米中高鹽處理可誘導(dǎo)ABA 依賴的ZmPIP1；2和ZmPIP2；4表達以及非ABA 依賴的ZmPIP1；1和ZmPIP1；5表 達［45］。高 鹽 處 理 下，葦 狀 羊 茅（Festuca arundinaceaSchreb.）中FaPIP1；2表達在耐性種質(zhì)中被下調(diào)，而FaTIP1；1表達在耐性和敏感的種質(zhì)中被上調(diào)［46］。除PIP和TIP外，關(guān)于其他水通道蛋白參與耐鹽反應(yīng)方面的研究也有報道，如小麥TaNIP 表達受高鹽脅迫顯著誘導(dǎo)［47］。受高鹽脅迫時，柑橘中大多數(shù)水通道蛋白表達都在根部被上調(diào)，在葉中被上調(diào)或下調(diào)［48］。

一系列水通道蛋白基因被報道能夠提高植物耐鹽性，包括OsPIP1-1、OsPIP2-2、SlTIP2；2、SpAQP1、 TdPIP1； 1、 TaNIP、 TaAQP8、 TsPIP1；1、 GmPIP1； 6、 MusaPIP1； 2、 MaPIP1； 1、MaPIP2-7、OsPIP1；1［4-5，23-24，47，49-53］。小 麥TaNIP基因表達顯著受高鹽脅迫誘導(dǎo)，在擬南芥中過表達TaNIP 可顯著提高擬南芥對高鹽脅迫的耐受能力。與野生型相比，TaNIP 過表達株系中Ca2+和K+含量顯著提高，而Na+含量顯著降低［47］。香蕉MaPIP2-7表達受高鹽脅迫誘導(dǎo)，在香蕉中過量表達MaPIP2-7可顯著提高香蕉對高鹽脅迫的耐受能力。與野生型相比，高鹽處理下MaPIP2-7 過表達株系中MDA、離子滲漏、Na+、K+水平較低，而葉綠素、脯氨酸、可溶性糖和ABA含量較高［24］。

3 水通道蛋白的修飾與調(diào)控

3.1 磷酸化修飾

質(zhì)譜研究證實，水通道蛋白可被多種翻譯后修飾調(diào)控，其中磷酸化對其調(diào)控最為普遍［54-55］。水通道蛋白氨基酸N-端和C-端絲氨酸殘基的磷酸化與水通道蛋白的活性密切相關(guān)。菜豆PvTIP3；1 的Ser7、大豆GmNOD26 的Ser262、菠菜SoPM28A的Ser115 和Ser274 都可被磷酸化［54，56-57］。PIPs 在B-環(huán)具有高度保守的磷酸化位點，在C-端也存在可被磷酸化的位點。這些位點的磷酸化可促進水通道開放和提升水分轉(zhuǎn)運活力［58］。二價陽離子和組氨酸質(zhì)子化（His193）導(dǎo)致SoPIP2；1 形成閉合構(gòu)象，而SoPIP2；1D 環(huán)Ser115 和Ser188 的磷酸化，以及C-端Ser274 的磷酸化可促進水通道打開［59-60］。蔗糖可誘導(dǎo)擬南芥AtPIPs絲氨酸磷酸化，并提高其活性［61］。高鹽脅迫可誘導(dǎo)AtPIP2；1C-端Ser280 和Ser283 的磷酸化，導(dǎo)致AtPIP2；1 從質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)，并降低了細胞水導(dǎo)率［62］。受體類激酶RKL1 和RLK902 可與PIP2；1 互作并磷酸化PIP2；1，調(diào)控其轉(zhuǎn)運活性［63］。乙烯也被報道可通過多種級聯(lián)信號調(diào)節(jié)AtPIP2；1 C-端磷酸化［64］。缺水可誘導(dǎo)玫瑰RhPIP2；1 在Ser 273 磷酸化，促進RhPTM轉(zhuǎn)錄因子在細胞核積累，并通過抑制生長增強脫水耐受性［65］。

3.2 轉(zhuǎn)錄調(diào)控

近年來，在水通道蛋白基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究方面也取得了一些重要進展。一些轉(zhuǎn)錄因子能與水通道蛋白基因的啟動子互作調(diào)控其表達。擬南芥轉(zhuǎn)錄因子ABI3 能與TIP3；1和TIP3；2啟動子結(jié)合調(diào)控種子脫水耐性［66］。番茄轉(zhuǎn)錄因子ASR1 能與水通道蛋白基因啟動子互作［67］。

此外，一些轉(zhuǎn)錄因子也可能間接影響水通道蛋白基因的表達。全基因組關(guān)聯(lián)分析和突變體表型分析證實，擬南芥轉(zhuǎn)錄因子XND1 為根水導(dǎo)率的負調(diào)控因子，可能間接影響水通道蛋白基因表達，從而負調(diào)控水導(dǎo)率和干旱耐受性［68］。在花生中過表達擬南芥轉(zhuǎn)錄因子AtHDG11可激活花生水通道蛋白基因的表達，并提高花生的耐旱和耐鹽能力［69］。在蘋果中過表達MsDREB6.2可誘導(dǎo)水通道蛋白基因表達，并提高了蘋果根的水導(dǎo)率［70］。在番茄中過表達SlARF10降低了葉片水分丟失率，并影響眾多水通道蛋白基因表達［71］。

4 展望

逆境脅迫嚴重影響植物的生長和發(fā)育，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)顯著下降。其中，干旱、低溫、高鹽等脅迫都能導(dǎo)致植物水分缺失。因此，調(diào)節(jié)水的運輸對農(nóng)作物適應(yīng)干旱、鹽分和寒冷脅迫至關(guān)重要。水通道蛋白作為水分的直接轉(zhuǎn)運者，在提高植物抗旱、耐鹽、耐低溫等方面發(fā)揮著重要作用，特別是一些水通道蛋白能夠提高植物多重抗逆能力。因此，利用基因工程等手段操縱水通道蛋白在作物抗逆分子育種領(lǐng)域具有較好的潛力。此外，一些水通道蛋白基因不僅能提高作物抗逆性，還能提高作物產(chǎn)量。通過生理生化和分子遺傳等技術(shù)進一步解析水通道蛋白基因在植物生長發(fā)育和逆境適應(yīng)中的調(diào)控機制，可推動水通道蛋白基因在作物遺傳育種中的應(yīng)用。