植物鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)及鎂脅迫響應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

陳良碧,蔡 丹,張林安,宋紹文,羅 璇,陳依君,李俊峰,許 濤,毛丹丹

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國湖南長沙410081)

鎂離子(Mg2+)是植物細(xì)胞中含量十分豐富的二價陽離子,在植物生長發(fā)育中參與一系列重要生理生化過程,比如:它是葉綠素的組成成分,參與光合作用及碳水化合物代謝；是RNA酶、ATP酶等多種酶活反應(yīng)的催化劑；參與活性氧代謝等過程[1～3]。自然環(huán)境中各種鎂脅迫因素的存在嚴(yán)重威脅植物生長發(fā)育,制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4～6]。因此,植物細(xì)胞中Mg2+穩(wěn)態(tài)平衡對于維持植物正常生長發(fā)育極其重要。目前,植物Mg2+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)、植物響應(yīng)Mg2+脅迫的分子機(jī)制的研究取得了較好的進(jìn)展。本文闡述了目前植物Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)以及應(yīng)答鎂營養(yǎng)脅迫的相關(guān)研究進(jìn)展,以期推動植物鎂營養(yǎng)利用的研究。

1 鎂離子的生理功能

1.1 鎂離子參與植物光合作用

光合作用是有機(jī)生命體能量和物質(zhì)的來源,受到外部環(huán)境和內(nèi)部信號的雙重調(diào)控[2]。Mg2+是植物生長的必需元素,對光合作用至關(guān)重要。葉綠體是進(jìn)行光合作用的主要場所,植株地上部約35%的鎂被運(yùn)輸?shù)饺~綠體進(jìn)行光合作用。這些鎂不僅作為葉綠素的組成參與光反應(yīng),而且能夠激活光合酶參與光合碳固定[2,4～7]。

Mg2+促進(jìn)葉綠體類囊體膜的垛疊和類囊體之間的結(jié)合,抵御不良因子對類囊體膜的破壞,維持類囊體膜的正常生理功能,保證光能有效吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化[2,4～8]。另外,Mg2+能通過增加可變熒光與固定熒光的比值,提高光系統(tǒng)PSⅡ活性和原初光能轉(zhuǎn)化效率[4],并且能調(diào)節(jié)激發(fā)能在葉綠體光系統(tǒng)PSⅠ和光系統(tǒng)PSⅡ之間的分配。研究還發(fā)現(xiàn),Mg2+能誘導(dǎo)葉綠素蛋白復(fù)合體向光系統(tǒng)PSⅡ的轉(zhuǎn)移,增加光系統(tǒng)PSⅡ的光合面積,提高植物對光能的利用效率[4,9～18]。然而,當(dāng)葉綠體缺 Mg2+時,光合電子傳遞受到抑制,光合作用顯著下降,導(dǎo)致植物生長發(fā)育受損[9～19]。

1.2 鎂離子是植物體內(nèi)多種酶的活化劑

激酶和磷酸化酶等一系列參與重要生理反應(yīng)的酶需要Mg2+作為輔助因子來被活化。比如ATP酶就是通過Mg2+的橋接作用被活化[9]。大多數(shù)ATP酶的底物是Mg-ATP。在Mg2+-ATP或ADP的焦磷酸鹽結(jié)構(gòu)和酶分子之間形成一座橋梁。ATP酶利用這些復(fù)合物轉(zhuǎn)移高能磷?；?促進(jìn)ATP或ADP水解釋放出磷酸和能量。Mg2+通過改變ATP酶的構(gòu)像,促進(jìn)底物與酶的結(jié)合,重新合成ATP[9]。缺鎂會影響ATP的合成,進(jìn)而影響能量代謝等一系列生理生化反應(yīng)[9]。

幾乎每種碳同化過程中的磷酸酶都需要Mg2+來激活。缺鎂會影響植物碳同化效率,進(jìn)而影響到光合效率。在光合作用的暗反應(yīng)中,Mg2+主要表現(xiàn)在對RUBP(ribulose-1,5-bisphosphate)羧化酶的調(diào)控作用。RUBP羧化酶活性高度依賴Mg2+和pH。Mg2+與RUBP羧化酶的結(jié)合顯著增加RUBP羧化酶活性,從而促進(jìn)RUBP羧化酶對底物CO2的親和力和最大反應(yīng)速率。光照條件下,葉綠體類囊體的Mg2+從膜內(nèi)泵出到基質(zhì),提高基質(zhì)中Mg2+濃度,而H+從基質(zhì)中泵入類囊體膜,提高類囊體中H+濃度,為RUBP羧化酶提供最適條件,從而促進(jìn)CO2的固定和同化。黑暗時Mg2+與RUBP羧化酶的活化作用則相反。Mg2+通過上述方式連續(xù)活化RUBP羧化酶,促進(jìn)碳水化合糖分和淀粉的合成。Mg2+還可以激活植物體內(nèi)參與光合作用、呼吸作用、糖酵解、三羧酸循環(huán)及硝酸鹽還原等過程的酶,以維持植物體內(nèi)各種生化反應(yīng)的正常進(jìn)行[9,20]。

1.3 鎂離子促進(jìn)蛋白質(zhì)合成及氮代謝

核糖體是蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),而Mg2+作核糖體亞單位聯(lián)結(jié)的橋接元素,是蛋白質(zhì)合成的先決條件[21]。在核糖體合成過程中,40S核糖體和60S核糖體以Mg2+作為結(jié)構(gòu)聚力成80S核糖體。鎂缺乏會導(dǎo)致80S核糖體失去內(nèi)聚力,從而分解成40S和60S核糖體。Mg2+濃度恢復(fù)時,40S和60S核糖體重新結(jié)合聚合成80S核糖體。繼續(xù)增加Mg2+濃度會引起80S核糖體聚合形成120S核糖體。而當(dāng)透析掉Mg2+時,120S核糖體會重新分解成80S核糖體。因此,Mg2+能穩(wěn)定核糖體構(gòu)型,對維持核糖體前體狀態(tài)極其重要[21]。此外,Mg2+還能促使氨基酸形成多肽鏈,這直接影響蛋白質(zhì)合成[9]。

Mg2+能通過調(diào)節(jié)硝酸還原酶(NR)等氮代謝過程中一系列酶的活性影響氮代謝進(jìn)程。比如,Mg2+可通過提高氮代謝過程中的關(guān)鍵限速酶NR的活性來影響整個氮素代謝過程[20～21]。此外,Mg2+還能通過活化谷酰胺合成酶促進(jìn)氮的吸收和同化。缺鎂時,蛋白質(zhì)合成受阻,蛋白質(zhì)中氮占總氮的比例下降。Mg2+顯著影響RNA聚合酶的聚合力,對核RNA的形成至關(guān)重要。缺鎂引起RNA的凈合成停止、蛋白質(zhì)合成下降,間接導(dǎo)致氮素代謝紊亂[20～21]。

1.4 鎂離子對植物活性氧代謝的影響

在逆境脅迫條件下,植物體內(nèi)產(chǎn)生超氧化物自由基O2·-和過氧化氫(H2O2)等形式的活性氧?；钚匝蹙哂泻軓?qiáng)的氧化能力,能引發(fā)和加劇生物膜脂過氧化,破壞膜系統(tǒng),引起膜透性改變、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂,最終導(dǎo)致植株生長發(fā)育受損[22]。氧化脅迫是植物礦質(zhì)營養(yǎng)缺乏誘導(dǎo)脅迫的因素之一[23]。丙二醛是脂膜過氧化的一個重要指標(biāo),其含量表示細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[7,13]。有研究表明,大豆[13]、菜豆[7]、黃瓜[24]、玉米[25]、辣椒[26]和桑樹[27]等植株在鎂缺乏條件下,體內(nèi)的丙二醛含量顯著增加,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化,影響到植株生長。

缺鎂時淀粉和蔗糖在葉綠體中的累積可導(dǎo)致活性氧的增加,從而使光合作用的光氧化上調(diào)和光保護(hù)機(jī)制啟動[25]。這與植物缺鉀時只積累蔗糖和缺氮或缺磷時只積累淀粉的機(jī)制不同[25]。但缺鎂誘導(dǎo)葉綠體活性氧產(chǎn)生的機(jī)制至今尚不清楚。Marschner等[1]提出,在缺鎂情況下,植物葉綠素含量的下降不是因?yàn)榘麅?nèi)缺鎂,而是由于缺鎂導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受阻所致。缺鎂會導(dǎo)致蔗糖在葉片中的積累。葉片中高濃度的蔗糖能夠抑制CAB2(編碼葉綠素a/b蛋白)的合成[12],導(dǎo)致葉綠素含量和光合能力降低,阻礙CO2的固定[13～17]。而這些變化會導(dǎo)致活性氧的積累[18],最終導(dǎo)致葉綠素組分的變化[18～19]。因此缺鎂時,植物會表現(xiàn)出葉片失綠、產(chǎn)生黃斑、壞死等癥狀。

1.5 鎂離子對其他離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

植物細(xì)胞的離子動態(tài)平衡對于維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要,當(dāng)處于高溫、鹽堿、凍害等逆境條件下時,細(xì)胞內(nèi)離子動態(tài)平衡紊亂,影響植物正常代謝過程[28]。Mg2+缺乏會影響Mg2+正確調(diào)節(jié)離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明 Mg2+能與 Ca2+、K+、H+等多種離子發(fā)生拮抗作用[28],比如Mg2+和Ca2+可彼此拮抗。在天然蛇紋石土壤中,低Ca-Mg比可能會限制許多植物的生長或生存。通過遺傳篩選,研究人員在擬南芥中證實(shí)Ca2+-Mg2+具有拮抗作用,cax1等位基因的功能缺失植株對蛇紋石土更耐受[28]。cax1突變體液泡Ca2+/H+交換活性的降低導(dǎo)致進(jìn)入液泡的Ca2+降低,而在代謝池中保留更多的Ca2+以拮抗過量的Mg2+。減少外部Ca2+供應(yīng)可減輕缺乏Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白突變體的缺陷表型[28]。雖然通常認(rèn)為Ca2+和Mg2+可能競爭相同的底物,如酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,但仍需更多的研究來揭開植物細(xì)胞中Ca2+-Mg2+拮抗作用的分子基礎(chǔ)。Mg2+還可與Na+、Mn2+、Al3+等與根質(zhì)外體負(fù)電荷結(jié)合的一些陽離子產(chǎn)生拮抗,從而影響植物生長[28]。此外,在酸性環(huán)境下,Mg2+能與H+、Al3+產(chǎn)生拮抗作用,影響植株正常生長[28]。

2 植物中鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn):MGT家族

植物細(xì)胞中自由態(tài)的Mg2+濃度維持在0.2～1.0 mmol/L,受到精確的調(diào)控[29]。為維持各種組織細(xì)胞中Mg2+的最佳水平,植物已進(jìn)化出有效的Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)節(jié)機(jī)制。植物根從外界環(huán)境中吸收Mg2+,將Mg2+裝載至木質(zhì)部導(dǎo)管中,隨著蒸騰流被長距離運(yùn)輸?shù)降厣喜糠植⑴c地上部分的再分配[28],這些過程均由定位于細(xì)胞膜和不同細(xì)胞器膜的鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo),而這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性的調(diào)控是提高植物鎂營養(yǎng)利用效率的基礎(chǔ)。但迄今為止,介導(dǎo)上述過程的相關(guān)鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制還了解較少。

隨著模式植物擬南芥基因組測序的完成,2000年有兩個實(shí)驗(yàn)室同時在擬南芥中鑒定出一個與細(xì)菌CorA同源、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類似的AtMRS2/AtMGTs家族[30～31]。AtMGTs家族含有 10 個成員(At-MGT1～AtMGT10)(圖1)。各成員之間氨基酸序列具有多樣性,進(jìn)化分析顯示各成員序列同源性在15%到89%。AtMGTs蛋白的結(jié)構(gòu)類似細(xì)菌CorA蛋白,含有兩個跨膜區(qū),在第二個跨膜區(qū)上具有Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白必需的保守基序GMN[31]。另外,At-MGTs與酵母中的鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MRS2[31]、ALR1和ALR2[31],在結(jié)構(gòu)上也有一定的相似性。AtMRS2/AtMGTs也是目前在植物中鑒定出來的主要鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)體家族。

圖1 AtMGTs家族成員的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.1 The phylogenetic tree of the AtMGTs gene family

通過多年的研究,AtMGTs部分成員的Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性得到初步闡明。以Mg2+親和能力為依據(jù),AtMGTs家族存在3種對Mg2+不同親和特性的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白:高親和性Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(AtMGT1、AtMGT2、AtMGT10)、低親和性 Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(At-MGT3、AtMGT4、AtMGT6、AtMGT7、AtMGT9) 和雙親和性Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(AtMGT5)。同位素示蹤的結(jié)果顯示,AtMGT8蛋白在細(xì)菌MM281突變系統(tǒng)中不具有Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性。放射性示蹤劑(63Ni2+)分析表明,MGT還能轉(zhuǎn)運(yùn)其他二價陽離子。盡管已報道了細(xì)菌CorA蛋白的通道樣晶體結(jié)構(gòu),然而,植物MGT是否作為Mg2+通道尚未得到充分證實(shí)[28,31～36]。

植物根系的Mg2+吸收可能包括高親和性與低親和性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。在擬南芥中,MGT6干擾植株在低鎂條件下的生長受到抑制,MGT6介導(dǎo)微摩爾范圍內(nèi)的高親和性Mg2+吸收[32]。此外,根中優(yōu)先表達(dá)的MGT7基因在植物適應(yīng)低Mg2+環(huán)境中也起重要作用[36～37]。最近的研究表明,在正常和高M(jìn)g2+條件下,MGT6和MGT7在植物Mg2+平衡中發(fā)揮重要作用[38],然而,具體的分子機(jī)制尚不清楚。Mg2+缺乏可由土壤中低水平的Mg2+條件或抑制其吸收的其他因子引起。在酸性土壤中,Al3+可通過直接結(jié)合Mg2+通道而強(qiáng)烈抑制Mg2+吸收,并能快速誘導(dǎo)水稻根中OsMGT1的表達(dá),而osmgt1突變植株對Al3+脅迫敏感增強(qiáng),可能是Mg2+吸收受損所致[39]。

從土壤吸收后,Mg2+被轉(zhuǎn)運(yùn)到木質(zhì)部以實(shí)現(xiàn)從根到莖的長距離運(yùn)輸。Mg2+在韌皮部具有高度的移動性,因此Mg2+可從老組織到幼組織、從源到庫,并可在連續(xù)的補(bǔ)充循環(huán)中從莖向下運(yùn)輸?shù)礁俊Ｈ欢?參與這些過程的相關(guān)Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白還未得到鑒定。在細(xì)胞水平上,如同許多其他離子一樣,游離的Mg2+主要儲存在液泡中,以達(dá)到平衡。Mg2+流入液泡被認(rèn)為由Mg2+/H+交換體(MHX)介導(dǎo)[40]。研究發(fā)現(xiàn)，AtMGT2和AtMGT3參與葉肉細(xì)胞Mg2+分配到液泡的過程[41]。然而,這些研究還需要更多的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)來了解其生理功能。在綠色組織中,絕大部分的Mg2+與葉綠體形成復(fù)合體參與光合作用。最近有研究發(fā)現(xiàn),水稻中OsMGT3在葉綠體中的表達(dá)具有明顯的晝夜節(jié)律,Os-MGT3突變引起其在葉綠體鎂的節(jié)律性振蕩消失,導(dǎo)致Rubisco酶活以及光合作用速率的下降,最終抑制水稻生長。另外,在葉肉細(xì)胞中特異性地過表達(dá) OsMRS2-6/OsMGT3,可以增強(qiáng)葉綠體鎂的輸入以及光合固碳的能力,從而提高光合效率,暗示了該基因在提高光合作用上的潛能[42～43]。但到目前為止,鎂是如何進(jìn)入葉綠體,又是怎樣調(diào)控光合作用的問題還缺乏深入研究。Mg2+在生殖過程中也起著重要作用。研究報道,包括定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的AtMGT4、定位于線粒體的AtMGT5和AtMGT9在內(nèi)的幾種MGT蛋白,在花粉發(fā)育和雄性生殖方面起著重要作用[28,33～35]。

不同MGT成員的亞細(xì)胞定位仍然是一個懸而未決的問題。最近的研究顯示,同一MGT成員的定位會出現(xiàn)不同的定位結(jié)果,并且在瞬時過表達(dá)系統(tǒng)中,幾個MGT與ER膜相關(guān)聯(lián),需要指出的是,許多膜蛋白被翻譯,并在過表達(dá)時于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上積累。因此,為確定它們的生理功能,需要對擬南芥以及其他植物中所有MGTs蛋白進(jìn)行全面的功能分析。除CorA/MRS2外,細(xì)菌和動物中其他家族的Mg2+通道或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也被鑒定出。證明其同源基因是否存在于植物界并參與植物細(xì)胞的Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)將極大提升我們對植物中Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)的認(rèn)識。

3 植物響應(yīng)鎂脅迫的分子機(jī)制

迄今為止,植物如何應(yīng)對低鎂脅迫的分子機(jī)制尚未被解析,但有關(guān)植物響應(yīng)高鎂脅迫的機(jī)制研究有一定進(jìn)展。

有研究報道ABA參與對高鎂脅迫信號的響應(yīng)。在鎂毒害條件下,ABA合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)受到誘導(dǎo),ABA含量上升,高濃度ABA促進(jìn)DELLA蛋白在細(xì)胞核中積累,導(dǎo)致植物主根延伸受到抑制。研究還發(fā)現(xiàn),DELLA蛋白通過調(diào)控碳水化合物代謝及Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)等相關(guān)基因的表達(dá),影響植物Mg2+吸收效率、碳水化合物等物質(zhì)的合成。因此,DELLA能通過ABA相關(guān)信號通路來調(diào)節(jié)Mg2+吸收及其相關(guān)基因的表達(dá),以實(shí)現(xiàn)植物對高鎂毒害的響應(yīng)[28]。

另外,有研究發(fā)現(xiàn)Ca2+信號在植物適應(yīng)高M(jìn)g2+脅迫中也發(fā)揮重要功能[43～45]。外部高 Mg2+誘導(dǎo)植物細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+瞬時升高。特定的Ca2+信號可被兩個定位于液泡膜的鈣調(diào)磷酸酶B亞基蛋白CBL2和CBL3感知。CBL2和CBL3功能冗余,可激活CIPK3/9/23/26激酶,隨后CIPK磷酸化液泡膜Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對液泡Mg2+的儲存,從而保持細(xì)胞質(zhì)中無毒的Mg2+水平。研究還發(fā)現(xiàn),這些CIPK激酶可與ABA響應(yīng)途徑中起關(guān)鍵作用的幾種蔗糖非發(fā)酵相關(guān)激酶(SnRK2)相互作用[43～45]。今后需重點(diǎn)解決以下問題:高M(jìn)g2+脅迫是如何誘導(dǎo)植物細(xì)胞中特異的Ca2+信號以及Ca2+和ABA信號在靶轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控植物Mg2+平衡中的可能交叉點(diǎn)。

上述研究說明,ABA信號和Ca2+信號等因子是植物應(yīng)答鎂毒害的信號因子,其相互間的作用機(jī)理還有待深入研究。

4 展望

鎂是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一,鎂缺乏或高鎂都會影響植物的正常生長發(fā)育。目前對植物鎂營養(yǎng)元素的研究多集中在鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能、缺鎂和鎂毒害生理等方面,且在光合作用、碳代謝、減輕鋁毒害等方面取得了一定的進(jìn)展。然而,我們對植物Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)還了解較少。迄今為止,植物Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用及晶體結(jié)構(gòu),Mg2+與其他離子的相互作用機(jī)制,植物對Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)的規(guī)律及體內(nèi)穩(wěn)態(tài),Mg2+脅迫信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控等分子水平的研究還知之甚少。未來需要設(shè)計(jì)新的篩選方法來鑒定更多植物Mg2+營養(yǎng)及Mg2+信號相關(guān)基因,以加深對植物Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的認(rèn)識。人類膳食中的主要Mg2+營養(yǎng)來源于植物,因此揭示植物Mg2+轉(zhuǎn)運(yùn)及鎂脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制將有助于改善作物的營養(yǎng)特性,從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì),最終提高人類健康水平。