水稻耐鹽響應(yīng)中鉀運(yùn)輸載體的研究進(jìn)展

矯金航,張雅琳,王贊彭,周博陽,劉敏敏,喻 敏,潘 婷

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院,國際膜生物學(xué)與環(huán)境研究中心,廣東佛山 528000)

1 鹽脅迫對水稻的危害及水稻耐鹽機(jī)理

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,全球約20%農(nóng)業(yè)用地受鹽害的程度不斷加重,預(yù)計到2050年,超過1/2的耕地將鹽堿化[1]。不斷加劇的土壤鹽堿化已嚴(yán)重影響13個國家約40.3億人口(占世界人口的50%),是制約全球糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因素之一[2-3]。

高鹽環(huán)境對水稻各個生長階段造成許多負(fù)面影響。萌發(fā)階段,鹽分引起水稻種子生理代謝紊亂,出苗率下降;營養(yǎng)生長期,Na+、Cl-在葉片的過度積累會造成葉片卷曲枯黃,抑制新葉和根系的生長發(fā)育,光合作用受阻,抗氧化酶活性下降等。進(jìn)入分蘗期和成熟期后,水稻的分蘗和伸長受到鹽脅迫抑制,出現(xiàn)有效分蘗數(shù)降低,孕穗期縮短,抽穗延遲,穗短粒少,籽粒不飽滿等情況。

水稻對鹽脅迫的響應(yīng)涉及許多生理過程,包括滲透調(diào)節(jié)、離子平衡、活性氧清除、激素調(diào)控等[4]。其中,維持K+和Na+的穩(wěn)態(tài)對耐鹽性至關(guān)重要。大量鉀離子運(yùn)輸載體通過吸收K+,排出Na+或?qū)a+區(qū)隔化于液泡內(nèi)來維持細(xì)胞質(zhì)中較高的K+/Na+值,以緩解鹽脅迫引起的離子毒害[5-6]。參與這些過程的鉀運(yùn)輸載體可歸類為Shaker、TPKs(tandem-pore K+channels)、KT/HAK/KUP(K+transporter/high-affinity K+transporter/K+uptake transporter)、HKT(high-affinity potassium transporter)和CPAs(monovalent cation/proton antiporters)。本文就水稻鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體在鹽脅迫條件下發(fā)揮的功能作用以及調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了綜述,并對未來研究前景予以展望,為培育耐鹽高產(chǎn)的水稻品種提供重要的理論依據(jù)。

2 水稻鉀運(yùn)輸載體對鹽脅迫的響應(yīng)及其耐鹽功能

2.1 Shaker通道

單一完整的植物Shaker鉀離子通道由4個亞基組成,每個亞基上具有6個跨膜區(qū)和1個C-末端胞內(nèi)區(qū),其中第4跨膜區(qū)上富含感受膜電位變化的正電荷氨基酸,負(fù)責(zé)控制通道開放與關(guān)閉,第5、6跨膜區(qū)間的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P-loop)包含高度保守的特異序列,使通道具有高K+選擇性[7-9]。Shaker鉀離子通道具有不連續(xù)的電壓門控開關(guān),可通過電壓依賴性及K+跨膜運(yùn)動的方向進(jìn)一步劃分為內(nèi)向型整流K+通道(IR)、外向型整流K+通道(OR)、弱整流型K+通道(WR)[10-11]。

研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)向整流型K+通道OsAKT1的超極化位點(diǎn)在鹽脅迫下被激活,促進(jìn)根系K+的大量攝入[12]。OsAKT2介導(dǎo)K+在韌皮部裝載和再分布,有助于維持Na+、K+的穩(wěn)態(tài)并抑制根部對Na+的吸收[13]。內(nèi)向整流型K+通道OsKAT1和OsKAT2也參與耐鹽響應(yīng)過程。OsKAT1具有內(nèi)吸K+及外排Na+的作用,能夠提高酵母和水稻細(xì)胞的耐鹽性[14-15]。OsKAT2在保衛(wèi)細(xì)胞K+吸收中發(fā)揮作用并通過調(diào)節(jié)氣孔開放來參與水稻耐鹽[16-17]。外向整流型K+通道OsK5.2(OsGORK)在響應(yīng)鹽脅迫中可能也發(fā)揮重要作用,其轉(zhuǎn)錄水平受鹽脅迫誘導(dǎo)上調(diào),有利于K+在根中的保留[18-19]。另有研究發(fā)現(xiàn),OsK5.2參與調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉,同時將K+卸載至木質(zhì)部,以提高水稻的耐鹽性[20]。

2.2 TPK通道

不同于Shaker鉀離子通道,TPK雙孔鉀離子通道每個亞基僅包含4個跨膜區(qū)及2個環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P-loop),雖然其對電壓變化并不敏感,但是由于具備高度保守的特異序列,因此同樣對K+具有高度選擇性。水稻TPK包含3名成員:OsTPKa、OsTPKb、OsTPKc[21](表1)。

表1 水稻鉀離子通道

OsTPKa和OsTPKb分別定位于細(xì)胞溶酶液泡(LVs)和小的蛋白儲存液泡(SVs)中[22-23],過表達(dá)OsTPKa和OsTPKb減少Na+積累并促進(jìn)K+轉(zhuǎn)運(yùn)以維持胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài),增強(qiáng)對鹽脅迫的耐受性[24-25]。

2.3 KT/HAK/KUP轉(zhuǎn)運(yùn)體

HAK家族在植物K+的攝取及轉(zhuǎn)運(yùn)中扮演重要的角色,結(jié)構(gòu)分析表明該蛋白家族具有10～14個跨膜區(qū),且在第2和第3跨膜區(qū)之間包含1個環(huán)狀結(jié)構(gòu)[26]。水稻HAK家族包含27個成員,可被劃分為4個基因進(jìn)化簇:簇I、簇Ⅱ、簇Ⅲ、簇Ⅳ[27],其中簇I被認(rèn)為對K+具有高親和力,簇II成員的序列和功能差異較大,而簇Ⅲ、簇Ⅳ的功能特征鮮有報道[28-29]。水稻HAK轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)K+的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和Na+的外排(表2)。大多OsHAK的表達(dá)受低鉀和鹽脅迫誘導(dǎo),OsHAK1、OsHAK5和OsHAK16通過促進(jìn)K+的吸收來維持植物體內(nèi)較高的K/Na比[29-32],OsHAK3和OsHAK21對調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)Na+/K+穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[33-35]。OsHAK8介導(dǎo)K+吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)以應(yīng)對低鉀脅迫,耐鹽性功能仍需進(jìn)一步研究[36]。OsHAK10、OsHAK12、OsHAK17和OsHAK18受鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá),OsHAK10可增加老葉中Na+的積累[37],OsHAK12具有Na+滲透性,參與木質(zhì)部Na+的回收從而降低地上部Na+含量[38],OsHAK17和OsHAK18同樣受低鉀誘導(dǎo),但不直接參與K+吸收,而參與K+在韌皮部K+轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配[39-41]。此外,某些OsHAK轉(zhuǎn)運(yùn)體對種子萌發(fā)有所調(diào)節(jié),OsHAK9介導(dǎo)鹽脅迫下種子萌發(fā)中Na+、K+的平衡[42],OsHAK21參與鹽脅迫下K+的吸收,并在種子萌發(fā)和幼苗建立中發(fā)揮作用[43]。

表2 水稻KT/HAK/KUP轉(zhuǎn)運(yùn)體

2.4 HKT轉(zhuǎn)運(yùn)體

HKT是一類Na+或K+轉(zhuǎn)運(yùn)體或Na+、K+共轉(zhuǎn)運(yùn)體,由4個MPM(membrane-pore-membrane motif)基序組成,每個基序由2個跨膜區(qū)和1個環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P-loop)構(gòu)成[44]。HKT的離子選擇性通常由第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)的保守氨基酸性質(zhì)決定[45-46]。目前已在水稻中鑒定出9個HKT基因,依據(jù)進(jìn)化關(guān)系可劃分為2個亞族[47]。

I類OsHKT轉(zhuǎn)運(yùn)體主要定位于木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的質(zhì)膜,具有Na+選擇性[48-49](表3)。OsHKT1;1和OsHKT1;4通過降低韌皮部或木質(zhì)部汁液中Na+濃度來減輕地上部離子毒害[47-52]。OsHKT1;5將木質(zhì)部中的Na+卸載至薄壁細(xì)胞,同時促進(jìn)K+向地上部的運(yùn)輸來維持Na+和K+平衡[53-54]。OsHKT1;3與OsHKT1;5均可在鹽脅迫下促進(jìn)種子萌發(fā)并恢復(fù)幼苗生長[55-57]。II類OsHKT轉(zhuǎn)運(yùn)體則對Na+、K+均具有較強(qiáng)的滲透性,在維持水稻Na+/K+穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用(表3)。OsHKT2;1介導(dǎo)Na+的流入以補(bǔ)充缺鉀脅迫時K+的缺失,但其對Na+的吸收功能可被鹽脅迫迅速抑制[58-60]。OsHKT2;2在低鉀條件下誘導(dǎo)Na+的吸收,隨胞外K+濃度的增加,Na+轉(zhuǎn)運(yùn)速率降低[61]。OsHKT2;4具有較強(qiáng)的K+滲透性,高Na+濃度下OsHKT2;4介導(dǎo)的Na+轉(zhuǎn)運(yùn)活性受限[62-64]。

2.5 CPA轉(zhuǎn)運(yùn)體

植物CPA家族主要包括3個家族:NHX(Na+/H+exchanger)、CHX(cation/H+exchanger)和KEA(K+efflux antiporter)。其中,NHX家族在耐鹽性方面的研究較為深入。NHX一般含有10～12個跨膜區(qū),跨膜區(qū)之間沒有典型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。NHX能夠催化H+與Na+和/或K+的跨膜交換,對鹽脅迫下維持植物細(xì)胞內(nèi)pH平衡及離子穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[65-66]。水稻中有5個基因編碼NHX轉(zhuǎn)運(yùn)體,根據(jù)進(jìn)化關(guān)系,可分為2個亞組,OsNHX1-OsNHX4為第一亞組,定位于液泡膜,OsNHX5為第二亞組,定位于內(nèi)膜[67]。

研究表明,OsNHX1、OsNHX2、OsNHX3和OsNHX5均受鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá),它們將細(xì)胞質(zhì)中的Na+區(qū)隔化至液泡內(nèi)或其他區(qū)室內(nèi),維持胞質(zhì)內(nèi)離子平衡,減少Na+的毒害[68-70],對OsNHX2、OsNHX3的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其主要通過將Na+儲存至葉鞘薄壁細(xì)胞中來提高水稻的耐鹽力[70-71]。OsNHX5的功能與家族其他成員略有不同,它介導(dǎo)低Na+轉(zhuǎn)運(yùn),KCl處理下其轉(zhuǎn)錄水平上升,推測OsNHX5具有K+/H+交換的作用[72]。OsSOS1是質(zhì)膜定位的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,鹽脅迫下其表達(dá)上調(diào)并通過OsCBL4-OsCIPK24-OsSOS1途徑激活,從而促進(jìn)Na+外排,降低細(xì)胞內(nèi)的Na+含量,調(diào)節(jié)水稻的耐鹽性[72-73]。

3 水稻鉀運(yùn)輸載體在鹽脅迫下的調(diào)控機(jī)理

3.1 轉(zhuǎn)錄調(diào)控

轉(zhuǎn)錄調(diào)控是植物應(yīng)對非生物脅迫的關(guān)鍵手段[74],目前已鑒定出許多響應(yīng)鹽脅迫的轉(zhuǎn)錄因子家族,如bHLH、WRKY、MYB、NAC等[75],其對鉀運(yùn)輸載體均具有一定的調(diào)控作用(圖1)。OsMYB106(MYB型轉(zhuǎn)錄因子)、OsBAG4(分子伴侶調(diào)控蛋白)和OsSUVH7(DNA甲基化識別酶)三者相互作用形成復(fù)合物,促進(jìn)OsMYB106與OsHKT1;5中的順式結(jié)合元件MYBE結(jié)合,激活OsHKT1;5的表達(dá),減少Na+在胞內(nèi)的過度累積[76]。OsGTγ-2(trihelix transcription factor,三螺旋轉(zhuǎn)錄因子家族GTγ亞家族成員)受鹽脅迫、滲透脅迫及氧化脅迫誘導(dǎo)表達(dá),研究表明OsGTγ-2直接與OsNHX1、OsHKT1;3和OsHKT2;1的啟動子相互作用并正向調(diào)節(jié)水稻耐鹽性[77]。OsNAC3(NAC型轉(zhuǎn)錄因子)通過正向調(diào)節(jié)OsHKT1;4和OsHKT1;5參與水稻耐鹽響應(yīng)過程[78]。OsbHLH001(bHLH型轉(zhuǎn)錄因子)可通過特異性結(jié)合OsAKT1啟動子區(qū)的E-box序列,誘導(dǎo)OsAKT1的表達(dá),促進(jìn)K+流入從而調(diào)節(jié)鹽脅迫下水稻中的鉀鈉比[79]。OsbHLH035通過激活OsHKT1;3和OsHKT1;5的表達(dá),調(diào)控鹽脅迫后的種子萌發(fā)和幼苗恢復(fù)[80]。OsJAZ9(OsTIFY11a,TIFY型轉(zhuǎn)錄因子)能夠與OsbHLH062相互作用并抑制OsbHLH062介導(dǎo)的對OsHAK21和OsHAK27轉(zhuǎn)錄激活[81]。轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP72直接與OsHKT1;1啟動子區(qū)域中的ABA反應(yīng)元件結(jié)合,誘導(dǎo)OsHKT1;1的表達(dá)以響應(yīng)鹽害[82],OsbZIP71能夠與OsNHX1的啟動子結(jié)合,促進(jìn)OsNHX1表達(dá),增強(qiáng)水稻耐鹽性[83]。

涉及激活或調(diào)控響應(yīng)鹽脅迫水稻鉀運(yùn)輸載體的途徑;水稻轉(zhuǎn)錄因子(TF)MYB、GTγ、bHLH、bZIP對鉀運(yùn)輸載體的轉(zhuǎn)錄調(diào)控;磷酸化、泛素化等方式對鉀運(yùn)輸載體活性的調(diào)控。

3.2 翻譯后修飾

蛋白質(zhì)翻譯后修飾對水稻響應(yīng)鹽脅迫至關(guān)重要,通過磷酸化、泛素化等修飾手段可快速調(diào)節(jié)多個細(xì)胞途徑中蛋白質(zhì)活性、功能和定位以及不同蛋白間的相互作用,以減輕鹽脅迫造成的損害[84-85]。

磷酸化是最常見修飾形式,CBL-CIPK網(wǎng)絡(luò)在感應(yīng)鹽誘導(dǎo)的Ca2+信號和調(diào)節(jié)Na+/K+穩(wěn)態(tài)方面中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[86-87](圖1)。

SOS信號通路是植物中首個發(fā)現(xiàn)參與非生物逆境的信號傳導(dǎo)途徑。水稻SOS途徑中,鈣結(jié)合蛋白OsSOS3/OsCBL4感知鹽脅迫引起的胞質(zhì)鈣信號,與蛋白激酶OsSOS2/OsCIPK24互作并磷酸化OsSOS2,磷酸化后的OsSOS2蛋白迅速與質(zhì)膜定位的OsSOS1結(jié)合并將其激活,促進(jìn)Na+排出,維持細(xì)胞中離子平衡[88]。此外,鹽脅迫引發(fā)的胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高,誘導(dǎo)OsCBL1和OsCIPK23互作并激活OsCIPK23,形成的復(fù)合物磷酸化激活OsAKT1的通道活性,促進(jìn)根部K+吸收[89]。

泛素化修飾在植物應(yīng)激反應(yīng)中也起著作用(圖1)。E3連接酶通過改變應(yīng)激響應(yīng)蛋白(如轉(zhuǎn)錄因子)的穩(wěn)定性來發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,從而改變下游反應(yīng)或通過降解下游級聯(lián)本身所涉及的蛋白質(zhì),其中泛素26S蛋白酶體介導(dǎo)的鹽相關(guān)蛋白降解在耐鹽性中發(fā)揮重要功能[90-91]。據(jù)報道,RING型E3連接酶OsSIRH2-14在高鹽條件下與OsHKT2;1在胞質(zhì)和質(zhì)膜上發(fā)生強(qiáng)烈的物理作用,并通過泛素26S蛋白酶體降解OsHKT2;1以減少Na+的吸收[92]。OsMYBc能夠與OsHKT1;1啟動子結(jié)合上調(diào)其活性,正向調(diào)控水稻的耐鹽性[88],RING型E3連接酶OsMSRFP通過泛素26S蛋白酶體介導(dǎo)OsMYBc降解并減弱OsMYBc對OsHKT1;1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用,降低OsHKT1;1的表達(dá)[93]。

3.3 其他調(diào)控手段

除上述提及到的調(diào)控手段,一些鉀運(yùn)輸載體可與其他蛋白之間產(chǎn)生相互作用以此來完成鹽脅迫環(huán)境下信號的傳遞、基因的表達(dá)以及對生長發(fā)育的調(diào)控等(圖1)。研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫下,OsSDG721(SET domaing group,具有組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶活性的蛋白)能夠結(jié)合OsHKT1;5的啟動子區(qū)域,上調(diào)OsHKT1;5的表達(dá),維持胞內(nèi)K+、Na+穩(wěn)態(tài)[94]。OsPRR73(pseudo response regulator,偽應(yīng)答調(diào)控蛋白)與HDAC10(Histone deacetylases,組蛋白去乙酰化酶)結(jié)合形成的復(fù)合物能夠與OsHKT2;1的啟動子區(qū)域結(jié)合,抑制OsHKT2;1的表達(dá),從而減少細(xì)胞內(nèi)Na+的流入和胞質(zhì)內(nèi)ROS的積累,增強(qiáng)水稻的耐鹽性[59]。鹽脅迫下,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的細(xì)胞色素b5(OsCYB5-2)能與OsHAK21互作,增強(qiáng)OsHAK21對K+親和性,促進(jìn)K+內(nèi)吸,從而維持細(xì)胞內(nèi)K+/Na+穩(wěn)態(tài)[34]。OsEIL1和OsEIL2(乙烯不敏感3-LIKE1、LIKE2)能夠直接激活OsHKT2;1在根中的表達(dá),OsHKT2;1吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)過多的Na+,負(fù)向調(diào)控水稻幼苗的耐鹽性[95]。

4 展 望

隨著對水稻鉀運(yùn)輸載體研究的不斷深入,其具體結(jié)構(gòu)功能也逐漸得以揭示,但目前水稻鉀運(yùn)輸載體的分子機(jī)制研究仍處于起始階段,在探究鉀運(yùn)輸載體調(diào)控的方式及互作關(guān)系上仍有很大的空缺。針對這一問題,筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面展開深入探究:(1)從基因和蛋白水平對耐鹽及不耐鹽的水稻進(jìn)行分析,探究不同品種類型之間鉀運(yùn)輸載體的差異,進(jìn)一步揭示不同材料間鹽脅迫反應(yīng)的異質(zhì)性。(2)鹽脅迫下,植物感知滲透壓變化和離子信號并將其轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部,以此改變細(xì)胞特性來應(yīng)對鹽脅迫。通過分析尋找與鉀運(yùn)輸載體互作的蛋白或啟動子等順式元件,來探尋鉀運(yùn)輸載體在鹽脅迫信號網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的功能作用,例如調(diào)節(jié)下游靶基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子或激酶等。(3)水稻鉀運(yùn)輸載體蛋白具有不同的時間空間表達(dá)模式,進(jìn)一步探究其在水稻生長的各時期階段發(fā)揮不同的作用有重要意義。例如在鹽脅迫條件下,OsHKT1;4控制生殖生長階段的Na+穩(wěn)態(tài),但不影響營養(yǎng)階段的Na+積累;OsHKT1;5介導(dǎo)的Na+調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn),對維持鹽害下水稻苗期和生殖期生長至關(guān)重要。(4)許多與水稻不同發(fā)育階段耐鹽性相關(guān)的QTL(數(shù)量性狀基因座),可有效控制水稻莖部和根系的K+濃度、葉片光合作用和蒸騰速率、成熟期灌漿粒數(shù)和重量等性狀。耐鹽稻雜交所鑒定的qSKC-1 QTL編碼OsHKT1;5調(diào)節(jié)鹽脅迫下的鈉鉀穩(wěn)態(tài),中國地方品種‘九彩青’中分離出的qSE3 QTL具有與OsHAK21類似的功能,可促進(jìn)鹽脅迫下的種子萌發(fā)和幼苗建立。因此,進(jìn)一步挖掘耐鹽稻基因,為培育耐鹽高產(chǎn)的水稻品種提供基因資源,并利用標(biāo)記輔助育種(MAB)將耐鹽QTL轉(zhuǎn)移到優(yōu)質(zhì)水稻材料是實(shí)現(xiàn)水稻耐鹽的一種可能途徑。